Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型的参数修正及有效性验证

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.31.010

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (31): 4975-4982.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.31.010

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Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型的参数修正及有效性验证

辛大奇¹，胡侦明²，汉迪³，杨学军¹，肖宇龙¹，邢文华¹，赵岩¹，付裕¹，祝勇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 400016；³内蒙古医科大学附属医院，内蒙古自治区呼和浩特市 010030

出版日期:2017-11-08 发布日期:2017-12-01
通讯作者: 汉迪，主治医师，内蒙古医科大学附属医院，内蒙古自治区呼和浩特市 010030
作者简介:辛大奇，男，1980年生，内蒙古自治区突泉县人，汉族，2011年内蒙古医学院毕业，硕士，主治医师，主要从事脊柱外科基础及临床方面的研究。
基金资助:
内蒙古自治区自然科学基金(2016MS08141)

Modification and validation of Lenke3 type adult idiopathic scoliosis finite element model

Xin Da-qi¹, Hu Zhen-ming², Han Di³, Yang Xue-jun¹, Xiao Yu-long¹, Xing Wen-hua¹, Zhao Yan¹, Fu Yu¹, Zhu Yong¹

¹the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China;²Department of Orthopedics, the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 400016, China; ³the Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Online:2017-11-08 Published:2017-12-01
Contact: Han Di, Attending physician, the Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Xin Da-qi, Master, Attending physician, the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 2016MS08141

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

脊柱有限元参数修正：利用有限元分析软件构建的模型，与脊柱的真实结构存在差异，需要利用统计学试验进行精细化修正，使其最大程度的与真实结构接近。

脊柱有限元有效性验证：利用有限元软件构建的模型，经过修正后，为了解其与真实结构的差异，需要利用模拟试验进行验证，观察修正后的模型与真实的吻合度。

摘要

背景：作者利用Mimics等有限元软件成功建立了Lenke3型成人特发性脊柱有限元模型，但模型是否最大程度的符合个体化患者的真实情况，需要进一步进行模型修正及有效性验证。

目的：利用有限元分析软件对Lenke3型成人特发性脊柱有限元模型进行修正及有效性验证。

方法：根据Lenke3型成人特发性脊柱侧凸模型的特点，利用三因素三水平正交试验优化有限元模型，使模型特点最大程度的接近真实，通过模拟左右侧屈实验，分段加载选取T₁-T₄、T₅-T₈、L₆-S₁(骶椎腰化)节段分别模拟左右侧屈、前屈后伸，左右旋转活动度与体外Busscher、Yamamoto实验进行对比研究，多方位验证模型有效性。

结果与结论：①根据正交实验计算各因素各水平的平均差异和极差R，最后计算出A1B2C3的最佳组合可使模拟实验结果最符合个体的真实情况，使得有限元模拟实验结果与患者临床真实情况的差异最小。临床侧屈试验和参数修正前模型模拟的Cobb角度的变化差异值为 54.44°，经过参数修正后模型的差异值减小为2.11°。修正后模型各侧凸Cobb角的最大差异为4.29°；②修正后的模型与仰卧左右侧屈位X射线片对比，2组配对数据均服从正态分布，故利用配对t检验进行计算，左侧屈时，P=0.082，P > 0.05；右侧屈时，P=0.421，P > 0.05；仰卧位P=0.160，P > 0.05；③修正后的模型T₁-T₄节段各个方向的ROM：左屈3.25°，右屈3.32°，前屈2.52°，后伸2.89°，左侧旋转3.73°，右侧旋转3.76°，T₅-T₈节段各个方向的ROM：左屈1.39°，右屈1.43°，前屈1.35°，后伸1.34°，左旋2.09°，右旋2.11°；L₆/S₁节段各个方向的ROM：左屈5.17°，右屈5.19°，前屈8.92°，后伸7.35°，左旋1.41°，右旋1.42° ，获得的结果与Busscher及Yamamoto等的实验结果进行比较，结果基本吻合；④结果提示，通过对初始模型进行参数修正处理，使得模型与患者真实的材料属性基本符合。修正后的模型具有较好的可靠性和有效性，为下一步模拟临床手术操作提供了有效的数据平台。

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: 0000-0003-2202-5308(辛大奇)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 成人特发性脊柱侧凸, 有限元, 有效性, 验证试验, 内蒙古自治区自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: A Lenke3 type adult idiopathic scoliosis finite element model was established successfully using Mimics software. However, whether the model fits the actual conditions of individualized patients still requires a further revision and validation.

OBJECTIVE: To modify and validate the Lenke3 type adult idiopathic scoliosis finite element model by finite element analysis software.

METHODS: Based on the characteristics of Lenke3 adult idiopathic scoliosis model, the three-factor and three-level orthogonal experiment was used to optimize the finite element model, making it more close to the actual one. The vertebrae at T₁-T₄, T₅-T₈ and L₆-S₁ levels (sacral lumbarization) were loaded to simulate left and right lateral flexion, as well as extension and flexion, and the range of motion when left and right rotation were compared with Busscher and Yamamoto experiments in vitro.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) According to the orthogonal experiment, the mean difference and range of each factor and each level were calculated, and finally A1B2C3 combination was the optimal one that can make the model largely consistent with the real situation. The difference in Cobb angles between the clinical lateral flexion test and the parameter pre-modified model simulation was 54.44°, which was decreased to 2.11° after modification. Moreover, the maximum difference in each scoliosis Cobb angle of the modified model was 4.29°. (2) The simulation results of the modified model when compared with the X-ray images when left and right lateral flexion, the two data obeyed normal distribution, so the paired t test was used: left lateral flexion, P =0.082 (P > 0.05); right lateral flexion, P=0.421 (P > 0.05); supine position, P=0.160 (P > 0.05). (3) The range of motion at T₁-T₄ segments was as followings: left flexion, 3.25°; right flexion, 3.32°; anteflexion 2.52°; extension, 2.89°; left rotation, 3.73°; right rotation 3.76°; the range of motion at T₅-T₈ segments: left flexion, 1.39°; right flexion, 1.43°; anteflexion 1.35°; extension, 1.34°; left rotation 2.09°; right rotation 2.11°; the range of motion at L₆/S₁: left flexion: 5.17°; right flexion: 5.19°; anteflexion: 8.92°; extension: 7.35°; left rotation: 1.41°; right rotation: 1.42°. The results were almost consistent with Busscher and Yamamoto experimental results. (4) To conclude, the model is in good agreement with the patient’s actual properties after modification. The modified model has good reliability and validity, and provides valid data platform for simulating clinical operation in the future.

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: Scoliosis, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

辛大奇，胡侦明，汉迪，杨学军，肖宇龙，邢文华，赵岩，付裕，祝勇. Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型的参数修正及有效性验证[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(31): 4975-4982.

Xin Da-qi, Hu Zhen-ming, Han Di, Yang Xue-jun, Xiao Yu-long, Xing Wen-hua, Zhao Yan, Fu Yu, Zhu Yong. Modification and validation of Lenke3 type adult idiopathic scoliosis finite element model[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(31): 4975-4982.

图/表（结果） 4

2.1 模型的参数修正分析结果 研究采用直观分析法对临床左右侧屈试验和模拟实验结果的差异进行分析，如表2所示。直观分析表的结果显示，各因素对模拟实验结果差异的影响大小顺序为B>C>A，即因素B影响最大，而因素A影响最小。对于实验选择的含有双弯畸形的Lenke3型成人特发性脊柱侧凸患者，此实验结果最符合患者临床真实情况。A1B2C3的最佳组合可使模拟实验结果最符合个体的真实情况，即上胸段、胸椎侧凸及腰椎侧凸的椎间盘材料属性系数分别为0.2，1和8时，使得有限元模拟实验结果与患者临床真实情况的差异最小化。

根据临床和有限元模拟Cobb角的变化差异公式计算得出，临床侧屈实验和参数修正前模型模拟的Cobb角度的变化差异值为54.44°，经过参数修正后模型的差异值减小为2.11°，见表3。

2.2 模型的有效性验证结果

2.2.1 几何形态相似性验证结果参数修正后的成人特发性脊柱侧凸模型的几何外形基本符合仰卧位全长脊柱X射线片，如图3所示。其中，两者之间各侧凸Cobb角的最大差异为4.29°。

2.2.2 成人特发性脊柱侧凸仰卧位左右侧屈试验验证结果左侧屈位时，在T₁椎体右侧面均匀加载的力的大小为65.9 N时，模型的T₁椎体质心在X轴上向左移动的距离为-204.22 mm，与临床X射线片上实际偏移距-203.69 mm相差了0.53 mm；而右侧屈位时，在T₁椎体左侧面均匀加载的力的大小为75.8 N时，模型T₁椎体质心在X轴上向右移动的距离为178.79 mm，与临床X射线片上实际偏移距离179.26 mm相差了0.47 mm，两者其差值均小于实验设计规定的1 mm，故可以认为有限元模型模拟左右侧屈试验有效。优化模型模拟左右侧屈试验与仰卧位左右侧屈X射线片相比较，其各侧凸Cobb角度最大相差为4.29°，见表4。同样，将有限元模型与仰卧侧屈位X射线片T₁-L₆椎体质心至骶骨中垂线的偏离距离进行对比，见表5。参数修正后的成人特发性脊柱侧凸模型模拟侧屈试验图片上的每个椎体质心连线与仰卧左右侧屈位X射线片基本一致，见图4。经SPSS 20.0统计软件计算得出：2组配对数据均服从正态分布，故利用配对t 检验进行计算。左侧屈时，P=0.082， P > 0.05；右侧屈时，P=0.421(P > 0.05)，仰卧位P=0.160，P > 0.05，各组差异均无显著性意义，可认为X射线与优化后的2组数据之间差异无显著性意义。

2.2.3 分节段加载实验验证结果

T₁-T₄节段模型的验证结果：将T₁-T₄节段的有限元模型分别加载4 N•m力矩，分别模拟前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转，划分体网格后的图片见图5，其载荷下的位移云图见(图6-8)。

上胸段(T₁-T₄)的有限元模型分别加载4 N•m力矩的屈伸、左右侧屈和左右旋转载荷作用下，将T₁-T₄节段各个方向的ROM，分别为左侧屈3.25°，右屈3.32°，前屈2.52°，后屈2.89°，左侧旋转3.73°，右侧旋转3.76°，获得的结果与Busscher等^[10]的实验结果进行比较，两者结果基本吻合，如图9所示。

T₅-T₈节段模型的验证结果：将T₅-T₈节段的划分体网格的有限元模型见图10，分别加载4 N•m力矩，分别模拟前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转，其载荷下的位移云图见图11-13。左右旋转载荷作用下，将T₅-T₈节段各个方向的ROM结果左屈1.39°，右屈1.43°；前屈1.35°，后伸1.34°；左旋2.09°，右旋2.11°；获得的结果与Busscher等^[10]的实验结果进行比较，两者结果基本吻合，如图14所示。

L₆-S₁节段(骶椎腰化)模型的验证结果：患者由于骶椎腰化，故模型模拟L₆-S₁节段的有限元模型与其他作者报道的L₅-S₁相似，模型L₆-S₁的网格化模型见图15，分别加载10 N•m力矩的屈伸、左右侧屈和左右旋转载荷下的位移云图见图16-18。

腰骶段(L₆-S₁)的有限元模型分别加载10 N•m力矩的前屈、后伸，左右侧屈和左右旋转载荷下，获得L₆/S₁节段各个方向的ROM结果分别为左侧屈5.17°，右侧屈5.19°，前屈8.92°，后伸7.35°，左旋1.41°，右旋1.42°，与Yamamoto等^[11]的实验结果进行对比分析，从数据分析可知：本实验提取节段的模型与Yamamoto等报道的实验结果基本吻合，结果如图19所示。

本实验将建立好的原始模型通过侧弯的特点分为3个区域即上胸椎、胸椎侧弯、腰椎侧弯，同时将模型的3个区域的椎间盘材料属性分为3个水平，通过利用三因素三水平正交试验计算出各参数的最佳组合，实验组合为A1B2C3，椎间盘模型影响最大的为胸椎侧弯，这与志愿者X射线柔韧性分析相符合，通过对初始模型进行参数修正处理，使得模型与患者真实的材料属性基本符合。再将修正后的模型分别与临床仰卧位全脊柱X射线片、左右侧屈位X射线做对比，同时将T₁-T₄活动度、T₅-T₈活动度、L₆/S₁(骶椎腰化)活动度与其他作者生物力学实验数据相比较，结果显示经过修正后的成人特发性脊柱侧凸模型与患者临床X射线片高度一致。同时与其他作者正常节段分段加载试验的结果一致，修正后的模型具有较好的可靠性和有效性，为下一步的模拟临床手术操作模拟提供了有效的数据平台。

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引言

材料方法

1.1 设计 三维有限元验证实验。

1.2 时间及地点 于2015年1月至2016年12月在内蒙古医科大学第二附属医院完成。

1.3 对象 男性特发性脊柱侧凸患者(14岁发现特发性脊柱侧凸，迁延至今)，28岁，体质量59 kg，身高168 cm，Risser征5级，征得患者本人及家属同意并签署知情同意书，成功建立成人特发性脊柱侧凸完整的三维有限元模型(图1)。拍摄患者的站立位全脊柱正侧位、仰卧正侧位及仰卧左右侧屈(Bending相)X射线片(图2)，X射线片示腰椎左侧凸畸形，侧凸Lenke分型为Lenke3型，骶椎腰化。

1.4 方法

1.4.1 有限元模型材料属性的参数修正本实验中患者胸弯柔韧度为39.87%，腰弯的柔韧度为55.8%。

仰卧位左右侧屈试验的模拟：根据患者侧屈位X射线片上T₁质心偏离骶骨中垂线的垂直距离，将X轴方向的负荷加载在有限元模型T₁椎体上，以使T₁质心移动相同偏移距离来完成对患者的左右侧屈试验模拟。

有限元模型材料属性的参数修正：根据成人特发性脊柱侧凸的生物力学特点，由于椎间盘在脊柱加载外力时，其组织结构变量较骨性结构大，其弹性结构比骨性结构要柔软得多，椎间盘对于脊柱侧凸柔韧性影响较大。Little 等^[4]也报道椎间盘对脊柱侧凸患者柔韧性起决定性作用。本实验选择上胸段T₁-T₃节段(A)、胸椎侧凸T₄-T₁₂节段(B)，腰椎侧凸L₁_-₆节段(C)，通过对3个节段内椎间盘的材料属性进行参数修正，将其又分为柔软型、中间型和僵硬型3个水平，相应系数为0.2，1和8^[5-8]，见表1。依据统计学的正交实验设计进行三因素三水平分析^[9]，并且将表头设计为L₉(3⁴)的正交表，但忽略各因素之间的交互作用，进一步分析模型的模拟结果与临床实验结果的差异。根据差异公式计算出9次材料参数修正Cobb角度的差异值，再计算各因素各水平的平均差异和极差R^[9]。极差值大小代表各个因素在不同水平时对有限元模拟实验结果的影响程度。

采用公式来计算临床和有限元模拟Cobb角的变化，实验目的是筛选各因素各水平的最佳组合，而不考虑其交互作用，因此运用直观法来分析各因素之间的影响，筛选得到最符合患者临床真实情况的有限元模拟结果，进而得到成人特发性脊柱侧凸不同节段的椎间盘材料赋值的修正系数。使得有限元模拟结果的Cobb角度最贴近临床真实的个体。

1.4.2 成人特发性脊柱侧凸模型的有效性验证

几何形态相似性验证：测量各椎体质心偏离骶骨中垂线的垂直距离。本研究将优化后的模型与临床仰卧位X射线片相对比，测量两者间T₁-L₆椎体质心偏离骶骨中垂线的距离和各侧凸的Cobb角度，进一步与患者临床X射线片作差异对比。

仰卧位左右侧屈试验验证：将优化后的有限元模型进一步模拟仰卧位左右侧屈试验(Bending相)，并对模型侧屈时T₁-L₆椎体质心偏离骶骨中垂线的距离和各侧凸的Cobb角度进行测量，再进行列表和统计学分析。

分节段加载实验验证：实验建立的完整包括胸廓结构等结构在内的从C₇至骶尾骨的成人特发性脊柱侧凸有限元模型，目前国内外无此类型有限元模型作比较，同时也无该类型全脊柱有限元生物力学实验的数据。实验提取了参数修正后的有限元模型中形态相对正常的节段，进一步通过比较国外同类型的脊柱生物力学实验来验证有限元模型的有效性：①T₁-T₄节段的加载验证：将包括脊柱韧带和椎间盘在内T₁-T₄节段的脊柱侧凸有限元模型进行提取并加载相应负荷进行分析。通过约束有限元模型T₄椎体下表面的各方向的自由度，然后在T₁的上表面分别加载大小均为 4 N•m力矩来模拟屈伸、左右侧屈和轴向旋转运动。通过计算得出T₁椎体相对于T₄在加载不同负荷下的活动度(range of motion，ROM)，并将加载结果与Busscher等^[10] 的实验结果进行比较，以验证模型的有效性；②T₅-T₈节段的加载验证：将包括脊柱韧带和椎间盘在内T₅-T₈节段的脊柱侧凸有限元模型进行提取并加载相应负荷进行分析。通过约束有限元模型T₈椎体下表面的各方向的自由度，然后在T₅的上表面分别加载大小均为4 N•m力矩来模拟屈伸、左右侧屈和轴向旋转运动。通过计算得出T₅椎体相对于T₈在加载不同负荷下的ROM，并将加载结果与Busscher等^[10]的实验结果进行比较，以验证模型的有效性；③L₆-S₁(骶椎腰化)节段的加载验证：将L₆-S₁节段的完整有限元模型进行提取并加载相应负荷进行有限元分析。通过约束有限元模型骶尾骨表面的各个方向的自由度，然后在L₆的上面分别加载大小均为10 N•m力矩来模拟屈伸、左右侧屈和轴向旋转运动。通过计算得出L₆椎体相对于骶尾骨在加载不同负荷下的ROM，并将加载结果与Yamamoto等^[11]的实验结果进行比较，以验证有限元模型的有效性。

1.5 主要观察指标 ①计算各因素各水平的平均差异和极差R值，极差最小者是最接近真实结构的组合；②对参数修正后的模型左右侧屈与X射线片左右侧屈进行对比统计学分析；③选取T₁_-₄及T₅_-₈节段模拟脊柱活动与Busscher实验对比，观察差异；④选取L₆-S₁(骶椎腰化)节段模拟脊柱活动与Yamamoto实验对比，观察差异值。

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

讨论

目前特发性脊柱侧凸国内外比较认可分型有King分型、Lenke分型和PUMC分型3种主要系统^[12-14]。患者侧凸的类型及柔韧度决定了患者的预后，即使在相同分型的患者中由于年龄、组织退变程度的不同其生物力学属性也有明显差异，收集同一类型的侧凸并进行体外生物力学实验几乎不可能，而有限元实验因为缺乏同类实验数据的参照对比，同时附加材料属性时其属性数据均来自文献报道。这就可能使建模与个体化患者实际情况难免会存在差异性。因此，为了使有限元建立模型的生物力学特点最大程度与患者实际情况吻合或最大程度的接近，在利用有限元模型进行模拟生物力学实验之前，需要对所建立的模型材料属性参数进一步修正及验证。

关于有限元模型建立个体化生物力学属性赋值的问题，1986年Vanderby等^[15]首次通过模拟患者撑开的手术操作对材料属性参数进行修正。但其所建模型为简化的线性二维模型，其结构的仿生性与现在的三维立体模型无法相比。2004年通过正交实验Petit等^[5]模拟了脊柱侧凸患者的左右侧屈试验，在模拟过程中对椎间盘材料属性进行参数修正，通过分段加载各节段模拟侧凸角度与临床X射线片上的角度相对比，得出差别最小的组合，以此建立了个体化脊柱侧凸的有限元模型。汪正宇等^[7]在建立的T1至骶尾椎的特发性脊柱侧凸有限元模型上模拟了牵引试验和侧屈试验，并对模型材料属性进行参数修正，在验证过程中获得了不错的效果。

当前国内外学者利用患者卧位或去重力位左右侧屈X射线片对个体化模型进行验证已成为主要方法。使其在冠状位最大程度的接近，但根据左右侧屈位X射线片判断脊柱生物力学特点也存在一定的不足：①目前国内外卧位完整的左右侧屈位X射线片包括的范围有限，有时包裹范围不够；②神经肌肉组织无法在有限元模型中建模，虽然在模拟外科手术过程中由于麻醉肌肉松弛剂的使用患者的肌肉张力很小，但无法全部消失，这对实验数据会有一定影响；③韧带结构的建立，目前附加的各韧带属性均相同，而实际中各不同区域的同种韧带或不同韧带的韧带属性可能不同，这些均导致实验的预测结果不准确，因此，有作者采用去重力站立位X射线片替代卧位左右侧屈，2009年Little等^[4]通过在特发性脊柱侧凸模型上模拟支点屈曲试验，最终研究发现椎间盘对脊柱柔韧性起决定性的作用。人们在脊柱侧凸模拟实验中开始使用支点屈曲位片为替代方案^[16]。

有限元早期应用于脊柱侧凸时，建立的模型简单、粗糙，组织结构形态与真实的差异较大，而且大多未进行有效性验证^[17-18]，故模拟结果的可靠性较差。Ghista等^[19]通过采用牵引位摄片，将其结果用以验证模型的有效性；随后Lafage等^[20]通过侧屈位片的位移及旋转度数值进行测试，从二维平面扩展到三维平面的验证，极大增加了有限元模型本身的精确性。

课题分别模拟了临床左右侧屈试验，采用正交试验设计的方法获得材料属性的最佳组合，通过对模型材料属性进行参数修正，获得了优化后的材料参数。通过优化后的结果显示，本实验患者胸椎主侧凸僵硬，而腰椎主侧凸相对柔软，完全符合左右侧屈位X射线片所反映的结果，也符合临床中Lenke分型中3型脊柱侧凸的定义。

计算机逆向工程软件建立三维有限元模型，首先在几何形态上最大程度的与患者个体情况接近，但其生物力学性能需通过附加材料属性，同时对材料属性进行修正才能实现，这些都是为了进行后续的生物力学模拟研究而准备，需进一步分析研究在不同约束和载荷条件下脊柱的位移和应力变化情况和临床实际是否相同。在前期进行建模过程中对有限元模拟研究作了一定假设和简化，故后期在进行生物力学研究之前需验证模型的有效性，必要时重新进行修正，这样才能确保在后期生物力学分析中有限元模型能符合患者实际情况。

验证脊柱侧凸有限元模型的方法一般有以下几种：①几何形态的相似性，比较模型的几何外形与实际结构的相似程度。本研究对比了仰卧位模型与X射线片，各侧凸Cobb角和T₁-L₆椎体偏移骶骨中垂线的距离，来验证模型几何形态的相似性；②与采用尸体标本的生物力学实验相比较。在尸体标本上进行的静态或动力学生物力学研究一直被视为 “金标准”。由于不同实验者所采用的研究节段、载荷及边界条件不尽相同，故难以获取相同条件下的尸体标本生物力学研究。因此，实验者同期用相同条件的尸体标本进行生物力学验证是最理想的方法。本研究分别提取了形态结构相对正常的上胸段(T₁-T₄)和(T₅-T₈)、腰骶段 (L₆-S₁)有限元模型，由于选取的节段均为接近正常组织的形态，柔韧性均较好，本课题采取与其他有限元建模中正常节段的模拟研究做对比，故实验结果具有较好一致性。

由于畸形部组织结构差异较大，同时成人特发性脊柱侧凸组织结构僵硬度较高，无法与青少年做对比研究，未对畸形较重的T₈-L₅段脊柱进行验证。通过推测模型实验结果所具有的临床意义，对比实验结果与临床实际情况的一致性，从而反证模型的有效性来做出定性验证。本课题中利用参数修正后的模型来模拟临床左右侧屈实验，获得脊柱图像序列与临床X射线片基本一致。该有限元模型是可靠、有效的，可用于进一步的模拟手术进行生物力学研究。④与前人所建模型的实验结果进行对比。国内外与Busscher及Yamamoto进行对比研究较多，考虑随着软件的组织结构有限元细化随着时代的发展，划分精细度逐渐升高，将本课题的分段加载试验分别与Busscher及Yamamoto的实验进行对比研究。从而验证所建立模型的有效性。对于T₈-L₅未行验证，主要考虑到脊柱侧弯的个体差异性，无对应的体外实验，故未行验证，但文章中是多角度进行验证，模型质心距离与X射线左右侧屈位已行验证，目前国内外缺少全脊柱侧凸模型的实验对比结果。

本实验由于前期模型建立过程中的精细化，同时通过正交实验组合后的模型精细度较高，又对有限元模型进行个体化材料参数修正，使模型的材料属性与患者实际情况保持高度一致。有限元模型的参数修正过程本身就是有效性验证的过程。为了进一步验证，在有限元模型中提取了3个形态相对正常的节段进行约束加载实验，利用Busscher与Yamamoto等^[10-11]的有限元生物力学实验数据对有限元模型的有效性进行验证，实验结果与参照的文献报道无差异。通过有效性验证结果证明，本实验所建立的成人特发性脊柱侧凸有限元模型是可靠、有效的，其生物力学性能可满足下一步研究的要求。课题的第三部分主要通过不同手术方案，了解其矫形效果，寻找低成本、小创伤的手术方案

因为成人特发性脊柱侧凸患者的柔韧性较青少年特发性脊柱侧凸患者僵硬，患者的僵硬度是决定矫形效果及螺钉应力的重要因素，故系统评估成人特发性脊柱侧凸患者的僵硬度，对于后期手术方案的制定及手术设计起至关重要的作用。

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

Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型的参数修正及有效性验证

Modification and validation of Lenke3 type adult idiopathic scoliosis finite element model

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