Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型及胸椎钉道导靶3D模型的建立

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.53.012

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (53): 8597-8602.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.53.012

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Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型及胸椎钉道导靶3D模型的建立

辛大奇¹，霍洪军¹，胡侦明²，杨学军¹，邢文华¹，赵岩¹，汉迪³，李剑锋¹

¹内蒙古医科大学第二附属医院，内蒙古自治区呼和浩特市 010030; ²重庆医科大学附属第一医院骨科，重庆市 630014；³内蒙古医科大学第一附属医院，内蒙古自治区呼和浩特市 010030

收稿日期:2015-11-23 出版日期:2015-12-24 发布日期:2015-12-24
通讯作者: 胡侦明，博士，重庆医科大学附属第一医院骨科，重庆市 630014
作者简介:辛大奇，男，1980年生，汉族，内蒙古自治区突泉县人，2011年内蒙古医科大学毕业，硕士，主治医师。
基金资助:
国家自然科学基金(81160216)；内蒙古医科大学青年创新基金(YKDX2014QNCX021)

Construction of Lenke3 type adult idiopathic scoliosis finite element model and thoracic screw guide target 3D model

Xin Da-qi¹, Huo Hong-jun¹, Hu Zhen-ming², Yang Xue-jun¹, Xing Wen-hua¹, Zhao Yan¹, Han Di³,

Li Jian-feng¹

¹the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongelia Autonomous Region, China; ²Department of Orthopedics, the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 630014, China; ³the First Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongelia Autonomous Region, China

Received:2015-11-23 Online:2015-12-24 Published:2015-12-24
Contact: Hu Zhen-ming, M.D., Department of Orthopedics, the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 630014, China
About author:Xin Da-qi, Master, Attending physician, the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongelia Autonomous Region, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81160216; Youth Innovation Fund from Inner Mongolia Medical University, No. YKDX2014QNCX021

摘要/Abstract

摘要：

背景：有研究表明后路矫形内固定及前路矫形内固定对于治疗成人特发性脊柱侧凸均可获得良好的临床效果，但哪一种方法对于Lenke3型成人特发性脊柱侧凸临床效果更佳，椎弓根螺钉发生断裂的风险更小，同时远期疗效更可靠尚无报道。

目的：利用有限元分析软件建立Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型，同时建立胸椎钉道导靶3D模型，为其生物力学分析及科学置钉提供科学依据。

方法：将1例28岁Lenke3型成人特发性脊柱侧凸志愿者从T₁至骶骨的CT图像以Dicom格式导入Mimics 16.0软件中，通过几何清理建立完整的脊柱侧凸三维模型，于椎体模型上利用Mimics 16.0软件中设计模块建立胸椎钉道导靶。将三维模型点云格式导入Geomagic Studio 11.0软件中，对模型进行一系列图像处理，最后将三维模型导入ANSYS 14.0有限元分软件中建立具有生物性能的有限元模型。

结果与结论：成功建立了完整的Lenke3型成人特发性脊柱侧凸三维有限元模型，包括四面体单元440 975个和杆单元 580个，共计441 555个单元，1 077 318个节点。成功建立了12个胸椎的钉道导靶模型包括四面体单元4 682个，7 390个节点，试验建立了外形逼真的Lenke3型成人特发性脊柱侧凸三维有限元模型及其胸椎钉道导靶模型。结果证实，建立的Lenke3型成人特发性脊柱侧凸三维有限元模型，为进一步的生物力学实验提供科学依据，胸椎钉道导靶模型的建立为胸椎椎弓根螺钉置钉提供一种新的科学方法。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 成人特发性脊柱侧凸, Lenke3型, 有限元, 网格划分, 实体单元, 节点, 椎弓根, 3D, 生物力学, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Studies have shown that posterior orthopedic internal fixation and anterior orthopedic internal fixation all can get good clinical outcomes for treatment of adult idiopathic scoliosis, however, it has not been reported on what kind of methods could achieve a better clinical outcome for treatment of Lenke3 type adult idiopathic scoliosis, have less risk of pedicle screws breakage and more reliable long-term efficacy.

OBJECTIVE: To establish the Lenke 3 type adult idiopathic scoliosis finite element model and thoracic screw guide target 3D model using finite element analysis software, so as to provide scientific basis for biomechanical analysis and scientific pedicle screw implantation.

METHODS:The CT scan image from T₁ to sacrum of one 28 years old volunteer with Lenke 3 type adult idiopathic scoliosis was imported into Mimics 16.0 software by Dicom form. Integral idiopathic scoliosis three dimensional model was established by geometry clear technology. Nail guide target of thoracic vertebra was established on vertebral model by design module in Mimics 16.0 software. The point cloud form of three dimensional model was imported into Geomagic Studio 11.0 software. Series of image processing of model were conducted. At last, three dimensional model was imported into ANSYS 14.0 finite element analysis software in order to build finite element model with biological properties.

RESULTS AND CONCLUSION: Complete Lenke 3 type adult idiopathic scoliosis three dimensional finite element model was established successfully. It concluded 440 975 tetrahedron units and 580 bar units, totally 441 555 units and 1 077 318 nodes. Totally 12 nail guide target models of thoracic vertebra were established, including 4 682 tetrahedron units and 7 390 nodes. Lenke 3 type adult idiopathic scoliosis three dimensional finite element model and nail guide target of thoracic vertebral model with a realistic appearance were established successfully in this experiment. These results confirm that Lenke 3 type adult idiopathic scoliosis three dimensional finite element model provides scientific basis for further biomechanical experiments. Meanwhile, the construction of nail guide target model of thoracic vertebra provide a new scientific method for thoracic pedicle screw placement.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

中图分类号:

R318

辛大奇，霍洪军，胡侦明，杨学军，邢文华，赵岩，汉迪，李剑锋. Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型及胸椎钉道导靶3D模型的建立[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(53): 8597-8602.

Xin Da-qi, Huo Hong-jun, Hu Zhen-ming, Yang Xue-jun, Xing Wen-hua, Zhao Yan, Han Di. Construction of Lenke3 type adult idiopathic scoliosis finite element model and thoracic screw guide target 3D model[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(53): 8597-8602.

图/表（结果） 1

参考文献

[1] 方秀统,李明,赵颖川,等.成人特发性脊柱侧凸手术疗效的分析[J].中国矫形外科杂志,2010,18(3):208-211.

[2] Kim YJ, lenke LG, Kim J, et al. Comparative analysis of pedicle screw versus hybrid instrumentation in posterior spinal fusion of adolescent idiopathic scoliosis. Spine. 2006; 31(3):291-298.

[3] Carr AJ. Adolescent idiopathic scoliosis in identical twins. Bone Joint Surg (Br). 1990;72(6):1077.

[4] Giampietro PF, Blank RD. Synteny-defined candidate genes for congenital and idiopathic scoliosis. AM J Med Genet. 1999; 83(3):164-177.

[5] Qiu XS, Tang NL, Yeung HY, et al. Synteny-defined candidate genes for congenital and idiopathic scoliosis. Clin Orthop Relat Res. 2007;462:53-58.

[6] Stokes IA, Laible JP. Three-dimensional osseo-ligamentous model of the thorax representing initiation of scoliosis by a symmeric growth. Biomech. 1990;23:589-595.

[7] Azegami H, Murachi S, Kitoh L, et al. Etiology of idiopathic scoliosis computational study. Clin Orthop Related Res. 1998;(357):229-236.

[8] Huynh AM, Aubin CE, Rajwani T, et al. Pedicle growth asymmetry as a cause of adolescent idiopathic scoliosis:a biomechanical study. Eur Spine. 2007,16(4):523-529.

[9] 张兴,邱勇,朱锋,等.两种矫形方法治疗成人特发性脊柱侧凸的疗效比较[J].中国脊柱脊髓杂志,2012,(3):201-205.

[10] 范建平,王传锋,朱晓东,等.Ponte截骨治疗成人特发性脊柱侧凸疗效分析[J].临床骨科杂志, 2013,(2):121-124.

[11] Lenke LG, Betz RR. Adolescent idioparthic scoliosis:a new classification to determine extent of spinalarthrodesis. Bone J Surg (Am). 2001;83:1169-1181.

[12] 黄盛佳,霍洪军,杨学军,等.PUMCIId1型青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型的建立[J].中国组织上程研究,2014,18(26): 4219-4223.

[13] Goel VK, Monroe BT, Gilbertson LG, et al. lnterlaminar shear stresses and laminae separation in a disc. Finite elementanalysis of the L3-L4 motion segment subjected to axial compressive loads. Spine (Phila Pa 1976). 1995;20(6): 689-698.

[14] Kim HJ, Chun HJ, Kang KT, et aL. A validated finite elementanalysis of nerve root stress in degenerative lumbar scoliosis. Med Biol Eng Comput. 2009;47(6):599-605.

[15] Nie WZ, Ye M, Liu ZD, et al. The patient-specific brace design and biomechanical analysis of adolescent idiopathic scoliosis. Biomech Eng. 2009;131(4):41-47.

[16] Chen CS, Cheng CK, Liu CL, et al. Stress analysis of the disc adjacent to interbody fusion in lumbar spine. Med Eng Phys. 2001;23(7):483-491.

[17] Fagan MJ, Julian S, Mohsen AM. Finite element analysis in spine research. Proc Inst Mech Eng H. 2002;16(5):281-298.

[18] Rybicki Z, Jung M, Michajlik A. Acid-base balance and blood gases changes and "lactate excess" in acute respiratory alkalosis during general anaesthesia. Anaesth Resusc Intensive Ther. 1976;4(3):167-173.

[19] Andriacchi TP, Schultz AB, Belytschko TB, et al. Milwaukee brace correction of idiopathic scoliosis.A biomechanical analysis and a restrospective study. Bone Joint Surg Am. 1976;58(6):806-815.

[20] Viviani GR, Ghista DN, Lozada PJ, et al. Biomechanical analysis and simulation of scoliosis surgical correction. Clin Orthop Relat Res. 1986(208):40-47.

[21] Zhang H, Hu X, Wang Y, et al. Use of finite element analysis of a Lenke type 5 adolescent idiopath c scoliosis case to assess possible surgical outcomes. Comput Aided Surg. 2013;18(3-4):84-92.

[22] 刘少华,张宏其,吴建煌,等.半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维有限元模型的建立[J].中国现代医学杂志,2013,23(28):33-37.

[23] Salmingo RA, Tadano S, Fujisaki K, et al.Relationship of forces acting on implant rods and degree of scoliosis correction. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2013;28(2):122-128.

[24] Little JP, Izatt M, Labrom RD, et al. An FE investigation simulating intra-operative corrective forces applied to correct scoliosis deformity.Scoliosis. 2013;8(1):9.

[25] 唐绍锋,姚女兆,夏曦,等.统一解剖标志徒手胸椎椎弓根置钉技术的初步应用[J].中国临床解剖学杂志,2015,(5):588-592.

[26] Fennell VS, Palejwala S, Skoch J, et al. Freehand thoracic pedicle screw technique using a uniform entry point and sagittal trajectory for all levels: preliminary clinical experience. J Neurosurg Spine. 2014;21(5):778-784.

[27] Kim YJ, Lenke LG, Bridwell KH, et al. Free hand pedicle screw placement in the thoracic spine: is it safe? Spine. 2004; 29(3):333-342.

[28] Wang T, Tang CX, Yang GJ, et al. Comparison of accuracy of pedicle screw placement in the thoracic spine using funnel technique and free hand technique. Zhongguo gu shang. 2009; 22(8):593-595.

[29] Hyun SJ, Kim YJ, Cheh G, et al. Free hand pedicle screw placement in the thoracic spine without any radiographic guidance: technical note, a cadaveric study. J Korean Neurosurg Soc. 2012;51(1):66-70.

[30] Allam Y, Silbermann J, Riese F, et al. Computer tomography assessment of pedicle screw placement in thoracic spine: comparison between free hand and a generic 3D-based navigation techniques. Eur Spine J. 2013;22(3):648-653.

引言

成人特发性脊柱侧凸指患者接受诊断或治疗脊柱侧凸的年龄超过20岁，这些脊柱侧凸可在青少年时期就已出现或早期较轻后期发展明显，由于各种原因，其诊断或治疗被推迟了，占成人脊柱侧凸的4%-6%。课题组统计2010至2014年成人脊柱侧凸共162例，其中成人特发性脊柱侧凸21例，占12.9%，远远高于文献报道。统计21例患者，其中Lenke3，Lenke6型双弯曲占71.4%，青少年特发性脊柱侧凸中Lenke1型比例最高，随着年龄的增长，在长期的坐位及站立过程中脊柱侧凸患者长期代偿，双弯曲使冠状面趋于平衡，至成人时多表现为双弯曲。课题组诊治成人特发性脊柱侧凸较多，考虑与本地区早期经济发展落后、部分地区医疗卫生条件差、无法适时行有效治疗等因素有关；成人特发性脊柱侧凸与青少年特发性脊柱侧凸相比有不同的形态学改变^[1]。成人特发性脊柱侧凸病例由于成人后组织结构僵硬，其矫形效果较青少年特发性脊柱侧凸更差，文献报道其畸形矫正率为37%-51%^[2]。其矫形策略的制定一直是脊柱外科医师所面临的难题。脊柱侧凸的研究主要集中在病因和病理学机制等方面，然而其确切的病因和病理机制仍不十分清楚^[3-5]，但较多文献的报道认为生物力学因素在脊柱侧凸进展过程中发挥了重要作用^[6-8]。目前临床方面的研究主要集中手术治疗方面，目前已证实有效的治疗成人特发性脊柱侧凸的主要方法为三维矫形手术治疗。计算机模拟实验方法可作为成人脊柱侧凸实验的有效补充，并可在持续研究中重复利用不受外界环境影响。成人特发性脊柱侧凸行矫形内固定术后，矫形效果是否理想，其内固定物安放的时间及内固定物是否需取出一直是临床争论的焦点。有研究表明后路矫形内固定及前路矫形内固定对于治疗成人特发性脊柱侧凸均可获得良好的临床效果^[9-10]，但哪一种方法对于Lenke3型成人特发性脊柱侧凸临床效果更佳，椎弓根螺钉发生断裂的风险更小，同时远期疗效更可靠尚无报道。有限元模型可以提供一些实验测试得不到的结构内部的力学反应的参数，尤其是螺钉的应力，对于不同手术方法螺钉远期是否发生断裂提供依据，为脊柱侧凸的手术治疗提供了一条非常有价值的评价和优化设计的方法。文章基于Lenke3型成人特发性脊柱侧凸志愿者个体化CT断层图像，应用计算机辅助工程软件建立了包括胸廓结构完整的Lenke3型成人年特发性脊柱侧凸三维有限元模型，为进一步的脊柱侧凸生物力学分析提供了可靠的数字化模型，同时钉道导靶模型为科学置钉提供帮助。

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材料方法

1.1 设计单一样本观察实验。

1.2 时间及地点与2015年1至9月在内蒙古医科大学数字中心完成。

1.3 对象选取1例男性Lenke3成人特发性脊柱侧凸志愿者，28岁，身高168 cm，体质量60.0 kg。

Risser征5级，拍摄脊柱全长正侧位片和磁共振扫描，并排除脊柱及脊髓其他异常，结合病史确诊为成人特发性脊柱侧凸，本例患者14岁发病，病情发展至今病史，Risser征5级，排除其他脊柱及脊髓异常，确诊为成人特发性脊柱侧凸；进一步拍摄仰卧位左右侧屈位、过伸、过屈位X射线片，诊断为Lenke3型成人特发性脊柱侧凸^[11]。脊柱侧凸有限元模型的材料及组织参数见表1。

1.4.1 数据采集采用64排螺旋CT，从C₇-骶骨进行连续扫描，扫描条件：120 kV，125 mV，层厚0.625 mm，共计814层，并将CT断层图像以标准Dicom格式导入Mimics软件中。

1.4.2 三维模型的建立将所有CT断层图片导入Mimics 16.0软件，根据骨组织成像情况，设定阈值，选定该组织较优的阈值，选取范围在850-2 250 Houns Field单位，并使用区域增长来提取骨组织的轮廓信息，此时需要剔除与骨组织周围无关的软组织，再对每张CT断层图片的骨组织进行填充及清理。软件自动生成的三维几何模型较粗糙，需对生成的原始模型逐层进行包裹、光顺和减少三角片等处理，经过清理和优化后的模型几何形态较佳(图1A，B)。同时行网格优化时选择网格质量从0.1依次增加至0.4，多次行网格优化，同时允许误差控制在5%以内，优化前后的网格质量的图像见(图1C，D)。

椎间盘、肋软骨等非骨质模型的建立：①椎间盘：根据解剖知识可提取椎体上下骨性终板的最后一层轮廓来重建相应的几何模型，再利用布尔减运算可获得整个椎间盘的相应模型。由于纤维环和软骨终板在CT上无法区分，故将软骨终板及纤维环统称为纤维环，再按照6∶4的比例将髓核和纤维环划分开(图2A)。②肋软骨：根据各肋软骨在胸骨切迹和相应肋骨的解剖关系，利用类似椎间盘建立方法的自动填充构建出肋软骨模型。生成包括胸胸骨、肋软骨、肋骨、椎体、椎间盘和骶骨的Lenke3型成人脊柱侧凸三维几何模型(图2B)。此模型的实体单元及节点数均较高。取连续2个胸椎，于下位椎体上利用Mimics软件的设计模块通过MedCAD画圆柱，此圆柱垂直于椎板并到达椎体前缘，完全处于骨性通道之内不得破出，转换成可以在3-matic中使用的部件，为导靶做钻孔(类似椎弓根置钉)，使用design-create cone，波浪线标记椎体提取导靶基础面、加厚、移动钻孔，将之前画的圆台移动到合适的位置，穿过导靶基面，随后与导靶基面做布尔求和之后与最初的圆柱做布尔求差，再进行倒切，建成钉道导靶模型(图2C)，连接3D打印机行3D打印。

有限元三维模型的建立：由于人体脊柱结构极其复查，不仅包括椎体、椎间盘，同时包括多种韧带结构，各曲面结构并不规则，随解剖结构的不同其曲率变化明显；将各结构初步拟合后的三维模型进行进一步的优化处理，将初步生成的及转化过程产生的孔洞、棱角、毛刺等不足进行修复，建成面网格。同时为将脊柱模型与肋骨、肋软骨、胸骨进行有效连接，需行非流线型装配，装配后将建好的模型以点云格式导入逆向工程软件Geomagic Studio，生成的实体模型导入ANSYS 14.0软件中，依据解剖学结构手工添加各种韧带，包括前纵韧带、后纵韧带、棘上、棘间韧带、黄韧带、关节囊等结构见(图2D)。对模型进一步附加材料属性，查阅文献将骨性结构分为皮质骨、松质骨^[12]，为了使模型更加接近人体，将45例成人骨折患者椎弓根进行测量，其外侧皮质骨平均约0.8 mm，故将皮质骨厚度设为 0.8 mm，椎体皮质骨、松质骨、椎间盘、肋骨、肋软骨、胸骨等均采用solid187四面体单元，而韧带均采用Iink10杆单元。参考相关文献^[13-16]，赋材料属性，建立完整的三维有限元模型。

1.5 主要观察指标 Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型的单元数及节点数模型，同时包括各胸椎钉道导靶的单元数及节点数。

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讨论

脊柱的传统生物力学实验一般通过动物模型和尸体模型进行，但是脊椎侧凸模型构建比较困难，尤其是僵硬型。人与爬行动物的区别是直立行走，脊柱侧凸在自然界的动物中尚无发现，故利用动物模型进行研究是其的困难之一。而人体标本更是来之不易，正常人体死亡后数小时，脊柱相应结构的生物力学会发生很大的改变，同时脊柱侧凸患者的标本更难以获取。

成人特发性脊柱侧凸作为脊柱侧凸中僵硬型的代表，其僵硬与结构退变，部分再融合等有关，其模型更难建立，近年来随着医学科学的发展，患者临床治疗效果的改善，成人特发性脊柱侧凸患者就诊与日增多，患者就诊时往往伴随有更多的腰部及背部症状及体征，个别患者伴有神经受压的症状及体征，其原因为患者长期在脊柱侧弯的情况下形成胸腰背部肌肉及软组织的慢性劳损，个别患者由于长期脊柱失平衡，脊柱退变加速，引起神经的卡压，而引起下肢根性症状及体征。患者临床症状往往较青少年特发性脊柱侧凸更多，其临床治疗意义更大，其研究更加迫。

Lenke3型成人特发性脊柱侧凸各椎体应力承载、屈伸、旋转时的应力变化以及在三维内固定矫形过程中参与了哪些复杂的生物力学机制，至今仍然是国内外脊柱外科学界研究重点及难点。有限元分析法可以根据模型实体的形状，划分网格单元，对复杂结构有良好的适应性^[17]。从1972年Rybicki等^[18]首次将有限元法用于骨的应力分析到1976年Andriacchi等^[19]使用有限元法模拟了Milwaukee支具治疗青少年脊柱侧凸，直至Viviani等^[20]于1986年最早将有限元方法应用于脊柱侧凸矫形内固定中，用于指导临床手术，并对矫正方案进行了优化。计算机模拟的有限元分析为Lenke3成人特发性脊柱侧凸的生物力学研究开辟了新途径。

成人特发性脊柱侧凸行矫形内固定后，矫形效果是否理想，其内固定物安放的时间及内固定物是否需取出一直是临床争论的焦点。有限元模型可以提供一些实验测试得不到的结构内部的力学反应的参数，尤其是螺钉的应力，对于螺钉远期是否发生断裂可提供部分依据。对于不同手术方法可能易引起内固定物断裂提供依据。有限元分析法兼顾了试验的准确性和可重复性，也因此成为脊柱侧凸生物力学研究的热点，为脊柱侧凸的手术治疗提供了一条非常有价值的评价和优化设计的方法。国内外对于青少年特发性脊柱侧凸研究相对较多^[21-23]。

文章建立的Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型形象、逼真，实验生成441 555个实体单元，1 077 318个节点。患者实体单元数值较高，网格划分精细，几何形态与患者的X射线片相似度高，与青少年脊柱侧凸患者比较，单元数值及节点数均较高考虑与成人后脊柱结构容积较大有关，同时CT扫描层厚0.625 mm层厚更加精细，实验过程中反复检验网格质量，避免个别椎体网格划分粗糙，影响整体网格划分均有关。

Little等^[24]通过研究认为脊柱侧弯的僵硬度主要取决于椎间盘，由于侧弯处不同部位僵硬度仍有不同，故此次实验手工附加各韧带结构时，为了使模型更加接近患者自身的生物力学性能，通过改变双弯曲的顶椎处椎间韧带的数量使顶椎处结构更加接近僵硬型的性能。为了下一步有效性验证及生物力学实验提供科学依据。

从20世纪60年代Harrington到80年代CD内固定系统的发明，对于脊柱侧凸的手术治疗取得了巨大成就，椎弓根螺钉技术的三维矫形理论成为脊柱侧凸手术史上一次质的飞跃。椎弓根螺钉技术已成为脊柱外科医生临床基本操作技术之一，但置钉的偏差往往会引起内固定的失败，严重者会引起严重的神经、脊髓损伤，尤其是脊柱侧凸患者其椎弓根往往有较大的变异，其置钉对技术要求更高。

椎弓根钉道3D导靶技术可给置钉提供科学的帮助，同时在脊柱外科科研、教学中提供更加直观的三维图像。实验利用Mimics 16.0软件强大的设计模块建立出钉道导靶，可以为椎弓根螺钉的置入按照术前设计的角度科学置钉，在行椎弓根导靶建模过程中参考唐绍锋等^[25-27]椎弓根螺钉置钉原则，设计进钉点及冠状面进钉角度及头尾侧角度行椎弓根螺钉置入设计，使椎弓根螺钉的进钉点及螺钉角度更加科学。同时为了避免上位胸椎可能引起进针点的遮挡，影响建模的精确度，建模过程中将上位胸椎与下位胸椎连接起来后行下位椎体建模，同时参考Wang等^[28-30]报告，使建模不受实际解剖结构顺序影响椎弓根导靶的验证，使其更加符合临床实际。选择行胸椎椎弓根钉道导靶建立主要有以下几点原因：①胸椎椎弓根置钉较腰椎风险更高，一旦失败手术并发症更加严重，精确置钉意义更大。②临床上，上胸椎置钉相对较少，尤其是T₁_，₂椎体，临床医生积累的经验相对较少。③胸椎各椎弓根形态变化较大，临床上许多置钉均进入椎弓根肋骨复合体中，椎弓根钉道导靶的建立使椎弓根置钉更加精确。④胸椎在脊柱侧弯的后路矫形手术显露过程中软组织残留较少，尤其是关节囊及棘上韧带可清除干净，胸椎的关节突关节可不残留关节囊，但腰椎由于关节囊的无法彻底清除，同时腰椎棘上韧带肥厚，对导靶的精确性干扰较大。文章通过有限元分析软件建立的模型几何形态良好，手工附加的韧带更加符合成人特发性脊柱侧凸的解剖学形态，同时查阅大量文献针对成人脊柱侧弯在附加材料属性时更具个体化特征，为满足下一步有效性验证及生物力学分析打下坚实的基础。同时精确的胸椎钉道导靶模型的建立为下一步导靶有效性验证及指导椎弓根螺钉置钉提供科学的依据。实验初次成功建立了Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型，模型质量高，形态逼真，同时网格划分精细，为下一步行有效性验证及模拟临床多种手术打下坚实的基础，为临床寻求Lenke3型成人特发性脊柱侧凸患者手术治疗提供有效实验补充。

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[1]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[2]	鲁德志, 梅钊, 李向磊, 王彩萍, 孙鑫, 王孝文, 王金武. 3D打印脊柱侧凸矫形器的数字化设计及效果评估[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1329-1334.
[3]	张同同, 王中华, 文杰, 宋玉鑫, 刘林. 3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除与重建中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1335-1339.
[4]	陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折：最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1404-1409.
[5]	周继辉, 李新志, 周游, 黄卫, 陈文瑶. 髌骨骨折修复内植物选择的多重问题[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1440-1445.
[6]	王德斌, 毕郑刚. 尺骨鹰嘴骨折-脱位解剖力学、损伤特点、固定修复及3D技术应用的相关问题[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1446-1451.
[7]	张秀梅, 翟运开, 赵杰, 赵萌. 类器官模型国内外数据库近10年文献研究热点分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1249-1255.
[8]	焦慧, 张一宁, 宋雨晴, 林宇, 王秀丽. 乳腺癌类器官研究进展及临床应用前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1122-1128.
[9]	侯广原, 张继学, 张志军, 孟祥晖, 段文, 高维陆. 骨水泥强化椎弓根螺钉内固定治疗伴骨质疏松腰椎退行性疾病的1年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 878-883.
[10]	宋成杰, 常恒瑞, 石明鑫, 孟宪中. 侧方入路腰椎融合治疗后的生物力学稳定性的研究与进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 923-928.
[11]	刘钊, 徐西林, 申意伟, 张晓峰, 吕航, 赵军, 王政春, 刘旭卓, 王海涛. 塌陷预测方法联合分期分型对股骨头坏死治疗的指导作用与前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 929-934.
[12]	许玉林, 沈师, 卓乃强, 杨惠麟, 杨超, 李洋, 赵恒, 赵露. 髋臼后柱骨折3种不同钢板固定后站立及坐立位下的生物力学比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 826-830.
[13]	蔡群斌, 邹霞, 胡剑涛, 陈心敏, 郑利钦, 黄培镇, 林梓凌, 姜自伟. 有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 831-836.
[14]	刘正蓬, 王雅辉, 张义龙, 明颖, 孙志杰, 孙贺. 3D打印椎间融合器置入治疗脊髓型颈椎病：颈椎曲度及椎间高度恢复的半年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 849-853.
[15]	谢崇新, 张磊. 保留与不保留残端重建前交叉韧带术后膝关节退变的比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 735-740.