Finite element analysis in treatment of scoliosis

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.04.027

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Scoliosis is a complex spinal pathology characterized as a three-dimensional spine deformity combined with vertebral rotation. The finite element analysis can replace traditional biomechanical experiment for repeated experimental analysis and for processing digital simulation. It has been widely used in the study of scoliotic biomechanics.

OBJECTIVE: To emphasize the application of finite element analysis on the brace and surgical treatment of scoliosis.

METHODS: An online search of PubMed and Wanfang database was performed by using key words of “scoliosis, finite element” in Chinese for articles published between January 1986 and May 2013. A total of 38 papers related to finite element of scoliotic treatment, published in authorized journal and considered to be a representative, were selected.

RESULTS AND CONCLUSION: How to design an individualized brace in accordance with biomechanical characteristics of scoliosis is the hot topic. By using multi-imaging technology, the rib, chest bone and pelvis are introduced into the finite element models, in a broader attempt to analyze the optimal three-dimensional

orthopedic force pattern for scoliosis. The results of relative research showed that, the ideal loading pattern is given at the protruding area of scoliosis. Finite element analysis can predict and evaluate the orthopedic procedure and effect of patients, thus assisting the design of reasonable orthopedic treatment scheme. Through finite element analysis, we can simulate and analyze the stress distribution of internal fixator in spine, which contributes to prevent the complications.

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

全文链接：

Key words: scoliosis, finite element analysis, internal fixator, biomechanics

CLC Number:

R318

Huang Sheng-jia, Huo Hong-jun. Finite element analysis in treatment of scoliosis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(4): 651-656.

Figures/Tables 1

2.1 纳入文献基本情况文献[1-13]探讨有限分析法在脊柱侧凸支具治疗方面的应用；文献[14-38]探讨有限元分析法在脊柱侧凸手术矫形方面的应用。 2.2 脊柱侧凸支具治疗的有限元分析脊柱侧凸的支具治疗是目前惟一经证实有效的脊柱侧凸保守治疗方法，且应用较为广泛。主要原理是根据生物力学的3点或4点矫正规律来达到对脊柱侧凸的矫正。Lonstein等[1]回顾研究了1 020例Milwaukee支具治疗的青少年特发性脊柱侧凸的患者，将支具治疗效果与患者的自然病程进行对照研究，研究指出支具治疗可以有效防止脊柱侧凸进一步发展。然而，经过大量的随访研究发现支具治疗的设计与制作工艺逐渐暴露出一些问题：①仅凭个人经验进行设计，束带张力大小、压力大小、衬垫方向等因素缺乏统一标准。②未考虑佩戴者姿势的改变对支具矫形力的影响。③仅考虑了冠状面矫形，导致平背综合征等并发症发生。所以，如何调整现有的支具而使其更高效以及设计更有效的符合脊柱侧凸生物力学特征的个体化支具已成为研究热点。Gignac等[2]利用多重影像学技术将肋骨、胸骨以及骨盆等引入有限元模型中，分析研究脊柱侧凸施加三维矫形力的最佳方式。研究发现施加载荷最佳的方式是在脊柱侧凸的凸侧区域。本研究为制作更好的支具提供了一定的帮助。 2003年，Perie等[3]应用有限元分析法研究了12例Boston支具治疗的青少年特发性脊柱侧凸患者并模拟压力测试，结果显示支具被动作用力在冠状面上只有9°的矫正，但实际矫形达16°，研究表明支具治疗机制不仅有束带、衬垫共同达到的矫形作用，也有其他因素参与了支具矫形力的平衡。对胸弯和腰弯的矫形效果相比较，右侧高位胸垫和左侧对抗胸垫一同作用要比腰垫好。2004年，作者又建立了3例包括肋骨、骨盆在内的青少年特发性脊柱侧凸有限元模型，并在支具与躯干的接触面置入压力传感器来测量压力，实验发现躯干受力在5个区域最大：右胸廓、左腰部、腹部及双侧骨盆。研究表明测试个体化支具治疗的生物力学效应，使得设计更为有效的个体化支具成为可能[4]。同年，作者又建立了一个包括外壳、泡沫以及躯干和支具界面的Boston支具有限元模型，描述了支具和躯干界面的有限元生物力学分析结果，并将躯干和支具界面的接触力和体外测量的结果进行比较，证实应力由支具向脊柱的传导比直接加载在脊柱上更符合实际情况。这为支具的设计提供了更精确合理的模型[5]。 2007年，Liao等[6]应用有限元方法首次进行改良设计Boston支具，改良支具的重量较传统支具减少了12.4%-18%，但是矫形的效果与之相比没有差别。通过该方法确定过多的支具材料所分布的范围并对其进行处理，进一步设计个体化的支具，实现了不影响矫形效果也能减轻支具重量，显著增加了患者佩戴舒适性。然而，绝大部分的研究都局限于较少的影响因素，缺乏进一步对支具有限元模型整体研究，而导致该方法难以用于支具优化设计。Clin等[7]建立了8例包括脊柱、胸廓、骨盆、腹部等脊柱侧凸的有限元模型，研究了支具衬垫和束带对畸形产生的矫形力及三维矫正效果的影响。结果表明支具可以明显改善冠状面畸形，而对椎体旋转和剃刀背改善不显著。随后，Clin等[8]于2010年又建立了3个不同脊柱侧凸类型的有限元模型，考虑了支具设计中15种不同影响因素，进而模拟了12 288种不同支具的治疗效果。研究表明5个因素在支具的治疗效果中具有显著的影响：束带的张力，支具开口的位置(前或后方)，大转子延长垫的位置，前凸的设计以及坚硬的外壳形状。该研究为更好地了解支具治疗的生物力学原理，使用支具治疗脊柱侧凸提供了客观依据。2011年，Clin等[9]又建立了5例包括重力作用在内的脊柱侧凸患者躯干的有限元模型，模拟了支具的佩戴并对其束带的张力、脊柱僵硬程度以及重力的影响进行评估。他们发现脊柱在防止脊柱侧凸患者进一步加重起到一定作用。支具矫正程度主要取决于束带张力大小和脊柱僵硬程度。该有限元模型在考虑了重力作用的影响，能更好的了解并优化支具治疗。近来，Berteau等[10]应用有限元分析法改良传统支具矫形固定模式。作者对已建立的脊柱侧凸模型施加分散力矫形，并探讨了治疗方法和三维矫形效果。研究表明分散式的矫形力对侧凸矫形效果优于传统固定方式，而且柔软固定模式在不对称的真肋区域实施40 N以上的矫形力，可以达到良好的支具矫形效果。2012年，Desbiens-Blais等[11]运用CAD/CAM软件与有限元技术相结合来设计和模拟了新型支具，并且在6例脊柱侧凸患者的有限元模型中对比了新型支具与传统支具的有效性。研究表明与传统支具比较，该支具模拟平均矫正脊柱侧凸畸形的Cobb角度在5°以内。同时，证实了计算机辅助设计支具的可行性，对于改善支具设计和合理的脊柱侧凸保守治疗提供了帮助。然而，在国内对于支具治疗脊柱侧凸生物力学的有限元分析研究相对较少。聂文忠等[12]于2009年的研究报道，作者建立了特发性脊柱侧凸三维有限元模型，并分析了支具对该患者的各种矫形力的相互作用以及矫正效果，研究表明通过有限元法的个体化支具的改良设计，为衬垫的位置和优化支具治疗提供了客观的依据。2010年，唐明星[13]首次利用有限元分析法研究特发性脊柱侧凸椎间盘的凸、凹侧应力值，进而应用凸、凹侧应力值来预测支具治疗效果，为支具的改良设计提供了一个新的量化指标。 2.3 脊柱侧凸手术矫形的有限元应用对于一些脊柱侧凸畸形较重(cobb角>40°)，进展快并且非手术治疗无效的患者，都应该选择手术治疗。脊柱侧凸矫形手术是脊柱外科手术中最为复杂、风险较高且并发症多的大手术之一。手术成功的关键与制定的矫形方案密切相关。随着有限元技术在脊柱侧凸生物力学中的应用，可通过模拟手术操作来评估和预测手术效果，为手术者制定手术矫形方案提供了很大的帮助。 2.3.1 有限元法在术前评估、麻醉及体位中的运用许多学者在早期临床研究中，已证实术前评估、麻醉以及体位对于脊柱侧凸患者几何形态均存在一定的影响[14-15]，并发现患者在麻醉、仰卧和手术暴露松解时脊柱侧凸的形态均有不同程度的矫正。有限元技术的进步使得脊柱侧凸的术前评估、麻醉以及体位研究更加深入。 2005年，Duke等[16]建立了包括脊柱、胸廓和骨盆的特发性脊柱侧凸有限元模型来模拟不同的体位及麻醉状态下脊柱的生物力学特性。有限元模型通过对软组织松弛来模拟麻醉效果，使脊柱侧凸的几何形态与术中X射线片更匹配。研究表明脊柱侧凸的纠正程度和手术中的体位有关系，强调手术中要使用合适的体位垫子。随后，Duke等[17]进一步利用有限元模型分析了术中牵引大小、支撑垫位置、高度以及麻醉等因素对侧凸矫形效果的影响。比较了6中不同体位摆放因素下10项几何测量指标，经过优化组合的术前体位摆放方案可使矫正率由标准体位的55%提高到75%，研究表明：除胸垫高度对胸椎后凸和平衡存在影响外，胸垫的位置选择更为关键。 2.3.2 有限元法在模拟脊柱侧凸的矫形手术 1986年，Viviani等[18]最早重建脊柱侧凸有限元模型并模拟了手术操作，作者对其加载纵向撑开力和横向矫形力，将模型脊柱侧凸Cobb角度的变化与临床上进行对比，发现矫形效果相差在10%以内。但由于该模型是简易的线性二维模型，且使用的手术技术是Harrington棒和钢丝等二维矫形内固定物器械，因此，很难真正的反映脊柱侧凸的实际情况。但他提出了利用有限元技术优化手术治疗的基本思路。1993年，Stokes等[19]在其建立的脊柱侧凸有限元模型上模拟了 Harrington系统对脊柱畸形的撑开效果，然后对比了实际的手术矫形效果有很好的相似性。研究表明有限元分析法可在术前预测和评估患者的矫形过程及效果，进而制定出合理的手术矫形方案。随着Cotrel和Dubousset发明并运用新型钩棒矫形内固定系统，该手术技术在脊柱外科领域中具有革命意义的进展。因此，脊柱侧凸的三维矫形理论已被脊柱外科医师广泛运用。近年来，采用有限元分析模拟三维矫形的过程以及对其生物力学研究逐步成为热点。Skalli等[20]首次使用有限元分析法对脊柱后路手术的类似于CD系统的内固定器械进行生物力学分析。Gardner-Morse等[21]应用有限元分析模拟CD矫形技术时，发现单个椎体去旋转操作的效果不明显，更大程度上是对脊柱整体的去旋转矫形，但在去旋转的过程中却使顶椎椎体旋转增加了。该研究也与Lenke等[22]的在临床研究中发现术后顶椎去旋转不明显，接近于平移矫形的理论一致。Aubin等[23]利用柔性机制的动态学的模型来解决因刚度差别和单元之间不连续性导致的收敛问题。研究结果相比较术后患者实际的几何形态获得了良好的相似性，尤其是在冠状面畸形的矫正，但由于横截面和矢状面畸形的矫正取决于内固定种类、模型边界条件以及运动节段生物力学特性，其相似性稍差。因此，通过该技术可以预测手术矫形效果，进一步帮助医师在术前制定合理的手术方案。2004年，Lafage等[24]利用脊柱侧凸患者的双平面X射线建立了从T1至骨盆的三维有限元模型，并模拟了CD手术矫形过程：首先利用平移方式将固定于椎体上的螺钉及钩与矫形棒相连，并设置棒与螺钉问为滑移及旋转关节，然后将棒去旋转90°并允许螺钉沿棒的旋转和滑移，锁紧螺母以及限制钉棒间的自由度，最后放置另一侧固定棒及横连接，并释放旋转力以模拟回弹现象。2009年，Lafon等[25]对CD旋棒技术进行了进一步的研究，作者使用一种自动运算系统模拟了CD手术矫形技术，并且对比实际术后脊柱形态及术后各种数据来评估模拟的效果。研究发现每一步操作均对脊柱侧凸的矫正有影响，尤其是对于第二根棒的植入作用以及对于脊柱整体的影响有进一步的认识。在国内，顾苏熙[26]采用CT层扫图像建立了一例Lenke 1型特发性脊柱侧凸有限元模型，共划分了232 315个单元，356 830个节点，在该模型上模拟CD矫形技术，并对不同置钉手术策略进行了生物力学分析。原位弯棒技术的有限元研究程度虽不如CD旋棒技术研究，但也有不乏有该方面的研究报道。2005年，Dumas等[27]也利用其建立了右胸弯58°的脊柱侧凸患者和胸椎后凸50°的休门氏病患者的三维有限元模型，进而模拟了后路原位弯棒技术的操作，研究结果显示冠状面、矢状面以及中轴面旋转角度的平均误差小于5°，位移的平均误差也小于5 mm。他们证实了有限元模拟原位弯棒技术的可行性。2010年，Lafon等[28]建立了10例重度特发性侧凸侧凸患者的个体化有限元模型，作者采用自动模拟原位弯棒技术，将钉(钩)与棒之间的接触设置为具有滑动、旋转和锁定功能的关节，用两个相反方向的力矩模拟两根弯棒作用于选定椎体的内固定物节点上。研究发现原位弯棒技术与CD旋棒技术的矫形效果相似，并且发现双侧棒的弯曲对融合区内或以外的脊柱产生互补的作用。随着脊柱侧凸矫形的非融合技术的提出并逐步运用。Lalonde等[29]建立了21°特发性胸椎侧凸模型，并模拟了一种椎体U型钉非融合技术的矫形效果。研究结果显示单枚钉与双枚钉两种方式的矫形效果无明显差别，他们认为其主要作用在于维持术中卧位的矫形效果。同年，Rohlmann等[30]则通过有限元分析并对比不融合弹性双棒内固定和无弹性硬棒侧凸矫形过程的生物力学特征，结果表明该非融合内固定系统的生长连接可以伴随脊柱的屈伸滑动，并且可以允许脊柱的纵向生长，但较传统系统的矫形效果以及抗旋转能力稍差。近年来，许多学者运用有限元分析法模拟比较了特发性脊柱侧凸患者的不同的手术方案，并进行了模型的有效性验证，实现了特发性脊柱侧凸患者手术策略的个性化设计。2011年，Li等[31]利用了PUMC Ⅱd2型特发性脊柱侧凸患者的有限元模型，并分别模拟比较了上胸弯融合、下腰弯融合和双弯融合3种不同手术方式。他们认为通过有限元模型进行载荷下模拟分析得到的最佳手术方案与分型的融合原则相同，进一步验证有限元模型的有效性及预测了手术矫形效果。2012年，Salmingo等[32]运用了有限分析法重建了脊柱侧凸有限元模型，并模拟了在该模型上植入钉棒矫形的手术。通过对植入钉棒反复地施加三维矫形力并分别测量模型术前和术后的几何形状。结果显示螺钉的最大作用力范围为198-439 N，该矫形力的大小在临床上是安全的。他们指出对脊柱侧凸植入钉棒手术后矫形力量测量的可行性。随后，作者又在之前的研究基础上重建了6例青少年脊柱侧凸患者非线性模型以及模拟手术矫形操作，然后分别测量术前和术后的几何形状。研究表明植入钉棒的矫形力量与脊柱侧凸矫正角度不相关。脊柱侧凸矫正不仅依赖于植入钉棒的矫形力，而且与植入螺钉布局和脊柱僵硬程度等参数有关[33]。Zhang等[34]建立了lenke5型特发性脊柱侧凸患者有限元模型，并模拟了4种不同手术方案的去旋转和压缩序贯矫形操作，结果显示4种不同手术策略矫形后的腰椎侧凸Cobb角分别为22°，23°，26°和26°，并且前路T11-L4单棒固定与后路T10-L4椎弓根钉固定的顶椎旋转矫正角度分别为41.68°和37.79°。研究表明本例患者在远端融合止于下端椎时，后路椎弓根螺钉固定可取得满意的矫正效果，为特发性脊柱侧凸患者矫形手术方案的设计和手术效果的评价提供理论依据。Little等[35]建立了8例包括韧带、肋骨和脊柱的特发性脊柱侧凸患者个体化有限元模型，并且模拟了钉棒内固定手术矫形。作者通过测量术中矫形力的大小来分析模型。结果显示其中7个模型预测矫形的Cobb角度至少有一个矫形力在临床上存在5°的差异。手术模拟矫形应力分布最大位于或临近顶椎的间盘。他们指出术中矫形力与脊柱侧凸畸形矫正程度存在直接关系。大多数的脊柱侧凸畸形可能发生在顶椎的相邻的椎体，而且椎间盘空间对于脊柱畸形冠状面的矫正影响较大。另外，Grealou等[36]利用有限元模型分析了不同肋骨切除方式对脊柱侧凸畸形的生物力学的影响。研究发现凹侧肋骨的缩短及凸侧肋骨的延长可使椎体终板的应力分布发生改变，进而防止脊柱侧凸畸形进一步发展。但是，凹侧肋骨延长和凸侧肋骨缩短虽然一定程度上纠正了胸廓的外观，却在椎体终板上产生了不恰当的载荷，可加剧椎体楔形化。Carrier等[37]应用有限元法分析了肋骨短缩和延长术对脊柱侧凸术后的生物力学影响，预测手术之后的长期矫形效果。作者将术后韧带的松弛、椎体和肋骨的纵向生长以及由于应力产生的骨重建整合在模型中，模拟了脊柱生长24个月的变化，结果显示冠状面顶椎楔形变从5.2°减少到平均值3.8°，并且由于椎体楔形角度的改变而引起了脊柱侧凸角度的变化，脊柱侧凸角度由最初的46°减少到24个月后的41°。然而，顶椎横截面旋转却增加了4°。研究表明影响术后畸形改变的主要因素就是肋骨及椎体对应力的敏感程度以及肋间韧带应力的松弛率，而且缩短凹侧的肋骨长度对侧凸畸形的矫正有潜在又长期的作用。 2.3.3 有限元法在预防术后并发症中运用脊柱侧凸矫形内固定器械的拔出或断裂在临床上是一种常见的术后并发症。有限元分析法模拟分析内固定器械与脊柱之间的应力分布情况，更有效的预防了术后并发症的发生。Rohlmann等[38]在其建立的脊柱侧凸患者的三维有限元模型上模拟了7个不同的手术矫形方案，研究分析了植入物的生物力学特性以及提出降低头侧螺钉拔出风险的手术方案。研究表明对头端运动节段过度矫正会导致最头端的螺钉拔出力量加大，其螺钉拔出的风险也较高。他们指出在脊柱中间运动节段给予强力矫形，而在上下两端施加有节制的矫形可能是更为合理的手术方式。这种手术策略既可以的有效地矫正Cobb角和旋转角度，又不增大最头端螺钉的拔出力量。"

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