漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形对胸廓变形影响的数值模拟

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.19.011

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (19): 3017-3022.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.19.011

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漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形对胸廓变形影响的数值模拟

路光普¹，叶金铎¹，冯晶晶¹，耿立阳¹，刘吉福²，钟伟弘¹，董黎敏¹

¹天津理工大学机械工程学院，天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津市 300384；²解放军北京军区总医院胸外科，北京市 100700

出版日期:2017-07-08 发布日期:2017-08-10
通讯作者: 叶金铎，教授，硕士生导师，天津理工大学机械工程学院，天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津市 300384
作者简介:路光普，男，1990年生，河南省鹤壁市人，汉族，天津理工大学在读硕士，主要从事机械设计及理论研究。
基金资助:
国家自然科学基金(11372221)

Effect of the simultaneous correction of pectus excavatum and scoliosis on the thoracic deformity

Lu Guang-pu¹, Ye Jin-duo¹, Feng Jing-jing¹, Geng Li-yang¹, Liu Ji-fu², Zhong Wei-hong¹, Dong Li-min¹

¹School of Mechanical Engineering of Tianjin University of Technology, Tianjin Key Laboratory of Advanced Electromechanical System Design and Intelligent Control, Tianjin 300384, China; ²Departemnt of Thoracic Surgery, General Hospital of Beijing Military Region of Chinese PLA, Beijing 100700, China

Online:2017-07-08 Published:2017-08-10
Contact: Ye Jin-duo, Professor, Master’s supervisor, School of Mechanical Engineering of Tianjin University of Technology, Tianjin Key Laboratory of Advanced Electromechanical System Design and Intelligent Control, Tianjin 300384, China
About author:Lu Guang-pu, Studying for master’s degree, School of Mechanical Engineering of Tianjin University of Technology, Tianjin Key Laboratory of Advanced Electromechanical System Design and Intelligent Control, Tianjin 300384, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 11372221

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

NUSS微创矫形手术：目前临床上对于漏斗胸常用的治疗方法为NUSS微创矫形手术，它是在胸廓保持完整的前提下通过植入矫形板抬举凹陷的胸骨，以达到矫形的目的，NUSS手术替代了传统的Wada胸骨翻转术和Ravitch胸骨抬举术，具有无需截骨，切口小且隐蔽，手术时间短，出血少，恢复快等优点。NUSS手术的缺点是改变了前胸廓原有的力学环境，对脊柱也有牵拉作用，会造成脊柱的侧弯变形，是患者术后疼痛的主要原因。由于不同患者的个体差异较大，手术方案的制定尚缺少依据，多数依赖医生的经验。

脊柱侧弯：是指脊柱的一段或几个节段偏离中线向侧方弯曲，形成一个弧度。临床上常用Cobb角判断脊柱侧弯的弯曲程度，Cobb角大于10°，即可诊断为脊柱侧凸。轻度的脊柱侧凸通常没有明显的不适，外观上也看不到明显的躯体畸形。较重的脊柱侧凸则会影响婴幼儿及青少年的生长发育，使身体变形，严重者可以影响心肺功能、甚至累及脊髓，造成瘫痪。轻度的脊柱侧凸可以观察，严重者需要手术治疗。

摘要

背景：目前对于漏斗胸微创矫形在生物力学方面的研究已经取得了一些进展，但还缺少脊柱侧弯矫形对漏斗胸胸廓变形的影响，没有脊柱侧弯与漏斗胸同时矫形方面的研究工作。

目的：探索漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形对畸形胸廓变形的影响，为临床矫形手术方案设计提供参考。

方法：采用三维重建方法，利用漏斗胸合并脊柱侧弯病例的CT图片，重建漏斗胸合并脊柱侧弯的胸廓实体模型，采用数值模拟方法模拟对漏斗胸微创矫形和脊柱侧弯拉伸矫形同时矫形的过程。

结果与结论：①从漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形后再卸载的数值结果来看，T₃-T₅节胸椎两侧的横突有向左(X方向)移动1 mm左右，这说明漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形对脊柱侧弯有一定的帮助；②通过对比漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形与单纯漏斗胸矫形的数值结果可以看出，胸骨柄的最小位移差别明显，同时矫形再卸载脊柱拉伸矫形胸在Y方向上比单纯进行漏斗胸矫形的位移大13.358 mm，说明采用同时矫形再卸载脊柱拉伸矫形对漏斗胸畸形改善有利；③在等效应力分布上，同时矫形后胸骨受到的最大应力比单纯进行漏斗胸矫形应力降低 24.6 MPa，说明同时矫形后再卸载脊柱拉伸矫形载荷能够显著降低胸廓的等效应力，有助于减轻患者的术后胸廓疼痛问题；④结果提示，漏斗形和脊柱侧弯同时矫形不仅对脊柱侧弯改善有利，对漏斗胸病症也有改善作用。

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
ORCID: 0000-0003-4575-5469(路光普)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 漏斗胸合并脊柱侧弯, 三维重建, 微创矫形, 拉伸矫形, 数值模拟, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Studies on the biomechanical properties in NUSS procedure have obtained some achievements, but the effect of scoliosis surgical correction of scoliosis on thoracic deformity remains unclear.

OBJECTIVE: To explore the effect of simultaneous correction of pectus excavatum and scoliosis on thoracic deformity so as to provide reference for designing a rational orthopedic scheme.

METHODS: The three-dimensional reconstruction model of the chest was established based on the CT data of the patients with pectus excavatum and scoliosis. The surgical correction of pectus excavatum and scoliosis was simulated by numerical simulation method.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Results after correction showed that the bilateral spinous processes at T_3-5segments displaced to the left (X direction) about 1 mm, suggesting that the simultaneous correction is favorable for the correction of scoliosis. (2) Compared with the single NUSS procedure, the displacement at Y direction was increased by 13.358 mm in the simultaneous correction; meanwhile, there was significant difference in the shortest displacement between two methods. (3) In views of Von Mises stress distribution, the stress in the simultaneous correction was decreased by 24.6 MPa compared with the single Nuss procedure, indicating that the simultaneous correction can significantly reduce the Von Mises stress on the chest, which contributes to alleviate the postoperative pain. (4) Our results show that the simultaneous correction cannot only improve scoliosis, but also improve the symptoms of pectus excavatum.

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

Key words: Funnel Chest, Scoliosis, Orthopedic Procedures, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

路光普，叶金铎，冯晶晶，耿立阳，刘吉福，钟伟弘，董黎敏. 漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形对胸廓变形影响的数值模拟[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(19): 3017-3022.

Lu Guang-pu, Ye Jin-duo, Feng Jing-jing, Geng Li-yang, Liu Ji-fu, Zhong Wei-hong, Dong Li-min. Effect of the simultaneous correction of pectus excavatum and scoliosis on the thoracic deformity [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(19): 3017-3022.

图/表（结果） 3

2.1 微创矫形与脊柱拉伸矫形的数值模拟结果 微创矫形与脊柱拉伸矫形后可以得到胸廓的位移场和应力场。图3，4绘制了矫形结束后，胸廓在矢状面的位移。从中可看出胸骨柄(矢状面)被抬高41.953 mm，肋骨随之向上移动，漏斗胸塌陷病症得到改善。脊柱在矢状面的位移UX位移场最大值为2.19 mm，位于T₇-T₈节胸椎，向右移动；最小值为-2.995 mm，位于T₃-T₄节胸椎，向左移动。脊柱向上最大位移8.176 mm，Cobb角明显减小，数值模拟达到了漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形的效果。从应力分布来看，整体应力较为均匀，最大应力集中在第2块胸骨中端和胸椎T₁-T₄处，最大值分别为76.6 MPa和23.4 MPa，说明在矫形过程中胸骨的抬高是疼痛的主要原因。

数值计算的矫形力与矫形位移如图5所示，矫形力与矫形位移基本成线性关系，随着矫形位移的增大矫形力逐渐增大。当矫形完成时，最大矫形力达到319.52 N。在开始矫正时，所需要的矫形力较小，随着矫正位移的增大，脊柱侧弯症状得到减轻，在脊柱拉伸矫形中，侧弯角度减小，矫形力矩的力臂也逐渐减小，矫形力矩取决于矫形力和矫形力臂，矫形力会出现呈增大趋势。

2.2 拉伸矫形释放后的数值模拟结果 将同时矫形脊柱轴向拉伸的位移卸载，仅保留漏斗胸微创矫形。胸廓在矢状面的位移场如图6A所示，计算结果显示，整体胸廓最大矫形位移为-41.48 mm，发生在第2块胸骨右下方，与胸骨相连的左3、左4、左5、左6和右3、右4、右5、右6肋骨均有明显的抬高，左一和右一两根肋骨位移则变化不大，漏斗胸整体症状得到明显改善。图6B为前胸廓矫正后的等效应力分布，数值模拟结果显示，应力最大位置发生在第2块胸骨上，与矫形板所施加位移的位置一致，最大应力为45.9 MPa。图6C为胸廓变形矢量图，从图中可以看出胸骨柄位移较大。在拉伸脊柱矫形过程中，除了矫正了脊柱冠状面的侧弯，也矫正了胸椎矢状面的正常生理后凸。

数值模拟计算的脊柱矫形位移场的应力场如图7所示，从数值结果来看，T₃-T₅节胸椎两侧的横突有向左(X方向)移动1 mm左右，这说明漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形对脊柱侧弯有一定的帮助。脊柱所受到的最大应力为22.6 MPa，出现在胸椎T₁段两侧的横突上，这可能与施加的位移的位置有关。

如图8绘制了同时矫形且卸载脊柱拉伸矫形后胸骨和胸骨柄沿矢状面的位移场以及等效应力分布。胸骨柄和胸骨的位移变化呈梯度分布，最大位移发生在第2块胸骨下方，最大值为40.502 mm，上端胸骨柄位移数值为 15.478 mm，胸骨所受到的最大应为45.9 MPa。

图9为同时矫形且卸载脊柱拉伸矫形后肋骨沿矢状面的位移场以及等效应力分布。肋骨在矢状面最大矫形位移为41.48 mm，发生在右侧第六根肋骨。在塌陷位置比较严重的左4、左5、左6和右4、右5、右6位置的肋骨均有明显抬高，漏斗胸症状的得到缓解。最大应力值为39.5 MPa，发生在右一肋骨内侧，这可能是脊柱矫形的过程中所造成的应力集中。

2.3 漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形和单纯漏斗胸矫形胸骨变化的数值模拟结果对比 通过表1可以看出，漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形与单纯漏斗胸矫形(文献[7])对比，胸骨的最大位移没有差别，胸骨柄的最小位移差别明显，同时矫形再卸载脊柱拉伸矫形胸在Y方向上位移较大，比单纯进行漏斗胸矫形的位移大13.358 mm，说明采用同时矫形再卸载脊柱拉伸矫形对漏斗胸畸形改善有利；在等效应力分布上，同时矫形后胸骨受到的最大应力为45.9 MPa比单纯进行漏斗胸矫形应力降低了24.6 MPa，说明同时矫形后再卸载脊柱拉伸矫形载荷能够显著降低胸廓的等效应力，有助于减轻患者的术后胸廓疼痛问题。

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引言

漏斗胸是青少年胸壁畸形中较为常见的一种疾病，在新生儿中发病率为1/300-1/1 000，男女患病比例约为4∶1，部分患者会伴有脊柱侧弯^[1-2]。漏斗胸典型症状为胸骨凹陷，挤压心肺时可导致呼吸和循环系统的功能异常，出现心慌、活动后气急、容易疲劳、不耐运动等症状表现^[3-7]。漏斗胸的发病原因尚不明确，自愈的可能性较小，手术矫正漏斗胸被国内外学者普遍认为是惟一有效的方法^[8-10]。目前临床上对于漏斗胸常用的治疗方法为NUSS微创矫形手术，它是在胸廓保持完整的前提下通过植入矫形板抬举凹陷的胸骨，以达到矫形的目的，NUSS手术替代了传统的Wada胸骨翻转术和Ravitch胸骨抬举术，具有无需截骨，切口小且隐蔽，手术时间短，出血少，恢复快等优点^[11-14]。NUSS手术的缺点是改变了前胸廓原有的力学环境，对脊柱也有牵拉作用，会造成脊柱的侧弯变形，是患者术后疼痛的主要原因。由于不同患者的个体差异较大，手术方案的制定尚缺少依据，多数依赖医生的经验。

脊柱侧弯是指脊柱的一段或几个节段偏离中线向侧方弯曲，形成一个弧度^[15]。临床上常用Cobb角判断脊柱侧弯的弯曲程度，当30°<Cobb<40°需要接受治疗^[16-19]。如不及时治疗，可发展成严重的畸形，并且会影响人的心肺功能。治疗脊柱侧弯的方法有非手术治疗和手术治疗。非手术治疗，目前认为比较有效的方法有两种：Boston型支具和电刺激疗法^[20-22]，对于轻型特发性脊柱侧弯疗效不错，一般15°以内的持发性脊往侧弯，先不予治疗，可进行严密观察，如每年加重超过5°，则行非手术治疗，但对于较为严重的后期效果都不太好；近几年来，手术治疗脊柱侧弯的方法种类繁多，新技术不断涌现，如Luque法^[23]、Zieke法及C-D手术等^[24-25]，效果明显，但是容易触及脊髓神经，造成永久性伤害^[26-27]。

国内外对于漏斗胸矫形的报道很多，但多集中在麻醉^[28]、手术^[29]、护理等领域^[30]。目前对于漏斗胸微创矫形在生物力学方面的研究已经取得了一些进展，主要采用的计算模型包括经三维重建的实体模型和采用梁单元的简化模型。2007年台湾长庚大学Chang等^[31]通过三维重建，对3例对称的漏斗胸患者NUSS微创矫形过程作了力学分析，但是计算模型未没有考虑到脊柱，没有给出矫形后的应力应变场。2008年南方医科大学胡辉莹等^[32-35]建立了包括锁骨、肋骨、脊柱在内的正常人体前胸廓模型并进行了胸外按压的生物力学测试，为胸廓模型建模的发展打下了良好基础。2010年日本学者Nagasao等^[36]建立了梁单元的胸廓模型，比较了儿童和成人在术后胸廓的应力分布情况，其中对漏斗胸合并脊柱侧弯微创矫形过程的数值模拟与临床还有差别，一些数值模拟预测脊柱侧弯得到改善的病例术后脊柱侧弯加重。2016年Ye等^[37]采用电测实验方法对人工胸廓模型进行了实验研究，用实验的方法得到了人工胸廓模型的应变分布规律。

目前缺少脊柱侧弯矫形对漏斗胸胸廓变形的影响，没有脊柱侧弯与漏斗胸同时矫形方面的研究工作。对此文章开展了对漏斗胸合并脊柱侧弯同时矫形的生物力学研究，通过对NUSS微创矫形手术和脊柱侧弯拉伸矫形过程进行数值模拟，比较同时矫形对畸形胸廓位移场和应力场的影响。

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材料方法

1.1 设计 数值模拟试验。

1.2 时间及地点 于2016年11至12月在天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室完成。

1.3 材料 Mimics10.0软件，比利时Materialise公司；Geomagic Studio10.0软件，美国Geomagic公司；ANSYS12.0软件，美国ANSYS公司。

1.4 对象 选择解放军北京军区总医院胸外科收治的1例漏斗胸合并脊柱侧弯患者，男，年龄16岁，术前脊柱Cobb角20°。

1.5 方法

1.5.1 有限元模型的建立将1例Cobb角为20º的漏斗胸与脊柱侧弯患者术前的CT扫描数据经医学图像软件Mimics处理后导入逆向工程软件Geomagic Studio进行光滑处理后得到三维实体模型，分别包括2块胸骨、12对肋骨和12块胸椎，胸骨厚度大小B=12.72 mm，长度L=149.61 mm，最小宽度H=20.97 mm，最大宽度H=61.3 mm。胸椎最小直径D=18.06 mm，最大直径D=37.17 mm，长度L=282.61 mm。依次导入有限元软件ANSYS中进行装配，坐标基准按照此前CT中默认的坐标系设立。模型中椎体与肋骨、肋骨与胸骨之间采取点点耦合位移的方法进行连接，胸椎间盘与椎体的连接方式采用黏接的形式。椎间盘的建立通过两个椎体间的布尔运算求和得到。最终得到三维实体模型如图1所示。

1.5.2 模型前处理单元类型选定solid45，材料参数选定线性各向同性。综合现有文献^[38]，将胸骨、胸椎、肋骨弹性模量设定为E=380 MPa，泊松比μ=0.3；椎间盘的弹性模量设定为E=10 MPa，泊松比设定为μ=0.45，用四面体单元进行网格划分，共得到106 913个单元和56 584个节点。得到有限元模型如图2所示。

1.5.3 边界条件设定本次数值模拟设定两个载荷步。在第一个载荷步中将T₁₂段胸椎底面位移约束，在T₁胸椎上表面施加沿脊柱轴向8 mm的拉伸位移模拟脊柱的拉伸矫形。在第2块胸骨偏下方位置施加-40 mm的Y方向的矫形位移模拟漏斗胸的微创矫形。在第2个载荷步中对T₁节胸椎上表面的脊柱轴向拉伸位移释放，模拟术后只保留的漏斗胸微创矫形。因为矫形过程中肋骨变形较大，考虑了几何非线性。在非线性求解设置中设置了合适的步长、子步数量、计算时间和计算结果输出频率等，采用残余力收敛准则，收敛精度设置为0.001。

1.6 主要观察指标 通过数值计算结果查看脊柱和胸廓的位移场和等效应力云图，比较漏斗胸塌陷或改善的变化和脊柱侧弯的矫形效果。

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讨论

到目前为止，漏斗胸和脊柱侧弯的矫形顺序尚没有明确的定论。根据临床经验，对于胸壁凹陷程度不严重的患者可先进行脊柱矫正，再进行漏斗胸矫形；如2005年田慧中^[39]报道了1例患胸段脊柱右侧凸合并漏斗胸先进行脊柱牵引治疗，再行漏斗胸矫形的病例；对于重度漏斗胸与脊柱侧弯的患者可先作漏斗胸矫形，再进行脊柱侧弯的矫正。2008年美国密西根大学Bafus等^[40]对1例伴有脊柱侧弯的儿童先进行脊柱侧弯矫形引起呼吸困难，改为先行漏斗胸矫形，然后再矫正脊柱侧弯的案例。

对于畸形胸廓与脊柱侧弯在生物力学方面的研究工作，已有学者做出了相关的研究工作。2010年日本学者Nagasao采用梁单元计算模型模拟了漏斗胸微创矫形与脊柱侧弯的关系，部分结果与临床一致，即漏斗胸坍塌位置与脊柱侧弯位于同侧时，进行漏斗胸矫形会减轻脊柱侧弯。2010年以来天津理工大学叶金铎等采用三维实体装配模型对漏斗胸微创矫形过程进行了数值模拟，其中三维实体模型的矫形结果与临床一致。2016年张春月^[41]采用梁单元模型模拟了漏斗胸合并脊柱侧弯的矫形过程，预测的脊柱侧弯变形结果与临床结果差别较大，主要原因是计算模型中的椎体，胸骨模型过于简单，且不能考虑椎间盘的影响。

从漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形的胸廓的位移场和等效应力场来看，脊柱拉伸矫形再卸载，胸骨柄在Y方向(矢状面)的矫形位移相对单纯进行漏斗胸矫形有明显的抬高，胸骨受到的等效应力也降低了24.6 MPa，这可能是由于在单纯进行漏斗胸矫形过程中，脊柱侧弯的牵拉作用影响到了矫形效果。从脊柱的位移场和等效应力来看，T₃-T₅节胸椎两侧的横突有向左(冠状面)移动1 mm左右，由于T₃-T₅节胸椎和左侧3-5肋骨相连，在胸骨抬高过程中，与之相连的肋骨会带动T₃-T₅节胸椎向左移动。这说明漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形对脊柱侧弯有一定的帮助。脊柱所受到的最大应力为22.6 MPa，出现在胸椎T₁段两侧的横突上，这可能是与施加位移位置所产生的应力集中有关。

漏斗胸合并脊柱侧弯患者畸形情况复杂，种类较多，其中漏斗胸凹陷位置、深度、脊柱侧弯方向等都可能会对矫形结果产生影响。不同类型的漏斗胸畸形决定了手术方案的不同，但由于不同患者之间的个体差异，手术标准很难统一，也没有可靠的理论依据，因此对非对称性漏斗胸畸形进行参数化研究，这将为临床手术的实施提供重要的理论依据，并减少手术的盲目性。

结论：①本文采用数值模拟方法模拟了漏斗胸微创矫形和脊柱侧弯拉伸同时矫形的过程，研究了脊柱拉伸矫形卸载对胸廓变形和应力分布的影响；②数值模拟计算结果显示，漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形对脊柱侧弯的改善和漏斗胸的症状改善有利。同时矫形后卸载脊柱拉伸矫形，有助于抬高胸骨柄的位移，对漏斗胸的矫形有利；③将同时矫形后卸载脊柱拉伸矫形的结果与单纯进行漏斗形矫形的结果比较可以发现，同时矫形再卸载拉伸矫形位移得到的胸骨柄抬高位移大于单纯进行漏斗胸矫形的位移，同时降低了胸骨柄的应力。同时矫形再卸载脊柱拉伸矫形位移得到的位移结果与应力结果与单纯进行漏斗胸矫形到的结果存在差别的主要原因是胸廓矫形属于几何非线性问题，不同的加载路径导致了不同的矫形结果。

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

漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形对胸廓变形影响的数值模拟

Effect of the simultaneous correction of pectus excavatum and scoliosis on the thoracic deformity

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