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| 有限元分析 |
脊柱侧凸的矫形是当今临床脊柱外科的难题和热点之一，椎弓根螺钉技术的应用，使得脊柱侧凸的治疗效果得以明显提高。但在矫形过程中是否需要连续置钉或如何选择间隔置入螺钉组合，也成为学者们关注的问题之一。拟通过有限元分析和刚体动力学结合的方法，模拟矫形手术中的反旋转与回弹，得到矫形过程中螺钉与脊椎的生物力学特性，探讨间隔内固定螺钉位置对矫形效果的影响。
资料源自腰椎侧凸志愿者，男性，39岁，身高172cm，体重73kg，已排除其他疾患。X线测量为右侧凸，Cohl角为400，前凸为50，侧凸范围为L1，L2，L3为顶椎。自L1-L5用32排螺旋CT扫描获得体层图像，扫描条件(140kV，200mA，层厚1 mm，304医院放射科提供)，Dicom格式保存图像。
将Dicom格式读入建模软件Simpleware，建立腰椎椎体的STL三角网格模型，导入逆向工程软件Geomagic，修补及优化后生成实体模型，应用有限元软件Abaqus，对实体模型加入皮质骨、松质骨、椎间盘、小关节等材料的弹性模量、泊松比等参数，最终建立腰椎侧凸的三维有限元模型。
首先生成腰椎及内固定复合的有限元模型。利用ANSYS软件提供的布尔运算功能(BooleanOperations)，对螺钉和腰椎有限元模型进行搭接(Overlap)及粘接(Glue)运算。固定螺钉及连接(矫形)棒为医用钦合金材质，螺钉(螺纹)长度为45mm，直径为6.0mm，连接棒长度为180mm，直径为5.5mm。参考临床实际操作，利用凹侧螺钉及连接杆旋转矫形，凸侧辅助固定的特点，本研究中仅将凹侧螺钉及连接杆与腰椎复合，具体复合螺钉的椎体节段情况见下文。螺钉和脊椎的界而采用理想粘接条件，得到的有限元模型单元87275个，节点134575个。
在ADAMS软件中对该模型施加矫形手术过程中需要的载荷，进行动力学仿真，输出ANSYS软件所需的载荷文件，获得腰椎和内固定器械系统的运动过程及其相应的载荷信息，包括力、力矩、加速度与速度等，在ANSYS软件中进一步计算，得到矫形全过程中内固定物所受载荷以及脊椎的应力应变场。
本研究主要模拟脊柱器械复合体在手术过程中的反旋转和回弹两个关键的步骤，并计算最大扭矩及最大拔出力：(1)反旋转，以10°的角速度施加在矫形杆上，作用90s，使矫形杆转动90°，把冠状而的侧凸畸形转化为矢状而的生理前凸。转动过程中螺钉尾部可沿杆轴向自由移动和绕杆自由转动，因此螺钉和矫形杆接触部位与圆柱关节近似。采用90°的时间，用准静态步骤来模拟反旋转，使得旋转载荷施加速度缓慢，有利于减少椎体承受瞬间冲击。(2)回弹，用固定关节将螺钉尾部锁死，卸去角速度载荷，用10°时间模拟脊柱器械复合体的自由回弹过程。
本研究拟观察3个指标，即矫形后剩余侧凸角、完成矫形所需最大扭矩、矫形期间螺钉所承受最大拔出力，分别反映矫形效果、手术操作难度以及手术安全与可靠性(如果矫形期间螺钉所承受最大拔出力超过螺钉最大抗拔出力，则可能出现螺钉拔出，影响手术安全及可靠性)。
根据置入椎弓根螺钉的腰椎节段(凹侧)位置的不同，分为6个组(A，B，C，D，E，F组)，其中“+”表示在此腰椎上置入螺钉，“-”表示没有置入螺钉。6个组的意义分别是：A和E表示减少了固定节段，C表示弧顶椎体不置钉，B和D表示间断减少非弧顶的螺钉，F组为五个椎体连续置钉。
