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中国脊柱脊髓杂志2008年第18卷第6期 Chinese Journal ofspine and spinal c0 ，2008，Vo1．18，No．6 479 有限元法在脊柱侧凸生物力学研究中的应用进展 顾苏熙，杨晓明，方秀统，李 明 (第二军医大学附属长海医院骨科 200433上海市) 中图分类号：R682．3，R318．01 文献标识码：A 文章编号：1004-406X(2008)一06—0479—03 脊柱侧凸是青少年最常见的脊柱畸形，其复杂的三 廓及肋骨对侧凸矫形的影响。由于常规有限元模型的建立 维畸形病理特点及尸体标本的缺乏导致无法开展常规的 需要依赖CT扫描后的三维重建，大量的射线将严重影响 实体生物力学研究。有限元法 (finite element method， 正处于生长发育期青少年脊柱侧凸患者的健康，因而研究 FEM)是最初在工程研究中获取材料所受应力及形变近似 受到了一定限制。近年来关于如何利用二维的X线片建 值的一种数字模拟技术，其特点是能够用不同形状、大小 立三维有限元模型的研究[20~241已经在欧美国家广泛开展。 和类型的单元模拟各种几何形状的结构．并且可以适应各 Aubin等[16,17,20]通过拍摄多张以夹角递增的X线片．人工标 种机械应力及载荷。有限元模型与实际结构非常相似．能 定特定解剖位置后根据数学方程演算出近似真实的三维 够方便地对无法直接测量的物体进行生物力学研究．其这 模型。Pomero等l24呗U利用大量正常人及侧凸患者椎体的数 些特点正好为发生、发展、转归以及手术策略、预期效果均 据库，建立了数个基本椎体的简化模型。可利用前后位及 涉及生物力学影响的脊柱侧凸研究提供了有力支持 o／ 侧位两张X线片，半自动化处理后可以短时间内建立脊柱 的三维模型。 1 历史与现状 现今的研究成果使模型不仅能逼真地模拟椎体、椎 有限元法自20世纪70年代初起便应用于脊柱生物 间盘，甚至是后柱小关节、肋椎关节结构．更能将所附着韧 力学研究，最早是针对实体实验无法明确椎间盘内应力而 带、肌肉及胸廓肋骨的作用特征考虑在内，使模拟更加完 提出的。近30余年，有限元模型已由线性扩展为非线性模 善与逼真。与此同时，有限元方法本身也已不再是相对独 型，又由二维模型扩展至三维非线性模型。由于脊柱侧凸 立地研究脊柱的生物力学特性，而更多的是与各种动力学 自身的模型构建复杂(包括所有脊柱椎体、肋骨、胸骨、骨 模型、参数优化选择、临床放射学与实物测量、组织学紧密 盆、软组织)，还需整合所有组织(骨骼、椎间盘、肌肉及韧 地结合在一起。 带)的材料学及力学属性及脊柱本身的运动属性，因此脊 柱侧凸的三维有限元研究起步相对较晚。 2 脊柱侧凸矫形支具的设计及畸形的模拟 最早Andriaeehi等[ I于1976年使用有限元法模拟了 支具治疗是目前应用最为广泛，也是唯一经证实有 Milwaukee支具治疗效果，随后Viviani等目又报道将有限 效的脊柱侧凸保守治疗方法。随着有限元研究的进展及大 元法用于模拟内固定手术矫正率的大小，当时认为个体的 量的随访观察，近年来对支具治疗的认识有了进一步提 脊柱侧凸僵硬程度的明确是模拟成功的关键。进入9o年 高。支具是根据生物力学三或四点矫正规律来达到对侧凸 代后Stokes等口、41利用有限元模型分析了椎体生长的左右 的矫正，然而其设计与制作工艺却随着时间的推移逐渐暴 不平衡性对侧凸畸形的发生发展的影响，对特发性脊柱侧 露出一些问题。首先其往往需根据技师的经验进行制作及 凸的病因学研究做出了重要贡献