文摘

目标。本文是理解同时校正漏斗胸的效果与脊柱侧弯举,为临床骨科手术设计提供一些有用的信息。方法。三维重建的方法已被用于漏斗胸的胸部模型的重建与脊柱侧弯举,数值模拟技术,进行了微创校正的过程。三种校正方法被认为是在数值模拟中,伸展脊柱,伸展脊柱微创同时校正,并释放后伸展脊柱伸展脊椎和微创修正漏斗胸举在同一时间。结果。发现伸展脊椎可能有助于纠正脊柱侧弯但加重胸骨崩溃,并释放后伸展脊柱伸展脊椎和微创校正同时不仅擅长脊柱侧凸,而且可以改善胸骨的崩溃,这可能有助于改善病人的心跳和呼吸。结论。在三种校正方法,释放后伸展脊柱伸展脊椎和微创校正同时可以帮助改善脊柱侧凸和胸骨的崩溃。

1。介绍

漏斗胸举(PE)是一种常见的疾病在青少年与胸壁畸形。新生儿的发病率约为1/300 ~ 1/1000,男性和女性的患病率大约是4:1,一些患者可能伴有脊柱侧凸(1]。漏斗胸的典型症状举沉胸骨。症状会导致呼吸系统和循环系统障碍,心悸,气短疲劳后,运动不耐受,和其他疾病(2,3]。当前举术治疗漏斗胸的临床治疗一般是微创手术矫正,取代了传统和田严厉的营业额和Ravitch胸骨上(4]。它的优点是没有截骨术,手术时间短,出血少,快速恢复,和隐藏的小切口(5- - - - - -7]。主犯过程改变了胸腔的机械环境。它也有一个拉对脊柱的影响导致脊椎的横向变形,术后疼痛的主要原因。因为不同的病人,操作计划是缺乏数值结果的支持和主犯过程必须依靠医生的经验。

脊柱侧凸是指一个或多个脊髓段偏离中线到另一边弯曲,形成一个弧度。Cobb角是用来判断脊柱侧凸畸形的程度。当角为30°<柯布< 40°(8- - - - - -10),病人需要在医院接受治疗。如果没有及时治疗,可能会发展成为一个严重的畸形,会影响心脏和肺功能。有两种类型的脊柱侧凸的治疗,非手术治疗,另一种是手术治疗。目前,有两种有效的方法:Boston-type撑(11)和电刺激疗法(12]。他们是很好的治疗轻微的特发性脊柱侧凸Cobb角小于15°,不需要治疗,但仔细观察。近年来,有外科治疗的各种方法;新技术的出现,比如卢克方法(13],Zieke方法和c - d操作[14,15),有很好的效果,但手术治疗很容易损伤脊髓神经,造成永久性伤害16,17]。举术漏斗胸患者往往伴有脊柱侧凸的症状。根据临床经验,为患者胸壁畸形并不严重,医生可以做脊椎矫正,然后正确的漏斗胸举;的右凸胸脊柱胸举是在2005年报道的治疗首先脊柱牵引,然后举术漏斗胸的调整。严重胸举和脊柱侧凸,患者首先接受了主犯过程,然后对脊柱侧凸矫正。2008年,布兰等人从密歇根大学首次演出的主犯过程对孩子有脊柱侧弯,然后纠正脊柱侧凸。

目前,伟大的主犯过程研究进展领域的生物力学。主协办张长庚大学,2007年,台湾,做了一个主犯微创校正过程的力学分析三对称的漏斗胸患者,但该模型没有考虑脊柱并没有给出结果修正后的应力、应变(18]。Nagasao T, 2010年,日本学者创造了胸腔由梁单元模型,比较了术后胸腔儿童和成人之间的应力分布,其中有一些数值模拟和临床结果之间的差异的漏斗胸脊柱侧凸微创校正过程;数值模拟预测的改善脊柱侧凸,术后脊柱侧凸加重(19]。Jin-Duo你们,自2010年以来,来自天津理工大学,进行数值模拟的漏斗胸举与脊柱侧凸矫形过程通过使用三维solid-assembled模型和梁单元模型。三维实体模型的数值结果与临床结果相一致。然而,在梁单元模型的结果,预测的脊柱侧凸结果显著不同的临床结果。你们Jin-Duo et al ., 2016年从天津科技大学,做了一个实验山羊胸腔模型通过使用电气测量的方法和胸腔模型得到的应变分布20.]。

现在,研究工作较少的脊柱侧凸矫正对胸腔变形的影响胸举举术同时校正漏斗胸和脊柱侧凸。作者进行同步校正的生物力学研究漏斗胸举和脊柱侧凸手术微创校正的数值模拟和脊柱侧弯拉伸过程,比较了位移场和应力场的分布同时校正胸畸形。

2。方法

2.1。有限元模型的建设

计算机断层扫描(CT)图像漏斗胸患者的胸腔与脊柱侧弯举是由综合医院提供北京的命令。在漏斗胸患者与脊柱侧弯举,胸骨向内凹痕深度40.3毫米,右边和左边的脊柱弓Cobb角20°。胸腔变形的三维实体模型在模拟重建。点云处理的模型导入到Geomagic最后导入到ANSYS建立装配实体模型(图1)。图1是胸腔模型与光盘。它包括两块胸骨,十二条肋骨,胸椎骨和十二个部分,模型的坐标按照以前CT默认的坐标系统。在模型中,耦合位移的方法已被用于链接脊椎和肋骨和肋骨和胸骨。椎间盘是通过两个椎骨之间的布尔运算。最后,胸腔的三维实体模型如图1(一)和1 (b)。

预处理的模型元素类型设置solid45和材料参数设置线性各向同性。胸骨的弹性模量、胸椎和肋骨将E = 380 MPa,泊松比μ= 0.3,椎间盘的弹性模量E = 10 MPa,和泊松比μ= 0.45 (21]。

网格划分为106913个元素和56584节点。有限元模型如图2。

2.2。纠正脊柱侧凸

2.2.1。边界条件

T的下表面₁₂胸椎完全约束和位移沿11毫米z设在应用于T的上表面₁模拟脊柱的校正。锁骨和胸骨柄的连接已被考虑,和胸骨克制的影响变形的胸部也被考虑在内。考虑几何非线性,我们设置了适当的加载步骤,采用残余力收敛性判据,收敛精度设置为0.001。

2.3。同时调整漏斗胸与脊柱侧弯举

2.3.1。边界条件

在本节中,数值模拟负载两个步骤。在第一步中,T₁₂胸腔底部表面位移约束。沿着轴向拉伸位移是8毫米上胸脊柱T₁,模拟脊柱的伸展。微创整形校正位移第二胸骨上举术漏斗胸应用−40毫米的Y方向。在第二个载荷步,T的轴向位移₁的胸脊柱被释放和Y方向的位移。因为大变形的肋骨在调整的过程中,考虑了几何非线性。最后一步是非线性的选择解决方案,如步长,数步,计算时间和计算结果的输出频率,残余力量收敛精度标准设置为0.001。

3所示。结果

3.1。脊椎矫正位移分析

数值结果的位移如图3。图3(一个)是脊柱前校正;这表明胸椎T₃- t₄向右弯曲段(X正方向,冠状面),胸椎T₇- t₉向左弯曲段(X负方向,冠状面)。从图3 (b)校正后,用户体验是3.313毫米的最大位移胸椎T_{7 -}T₉,搬到离开;用户体验的最小位移是胸椎T−2.487毫米₃- t₄,搬到正确的。结果表明,脊椎已经纠正。

3.2。胸腔位移分析

位移的数值结果如图所示4。从图可以看出4(截面),胸骨抑郁症是更严重的脊柱侧凸矫正后,和位移的最大值位于第一肋骨与胸骨13.879毫米。胸骨柄的位移大于胸骨。胸骨位移之间的关系和修正位移绘制在图5。图5显示了脊柱伸展位移小于2毫米;胸骨位移较小;2毫米后,胸骨沉降位移迅速增加;当位移超过4毫米之间存在线性关系的位移胸骨和脊柱伸展位移。

图6显示了胸腔的变形向量。从图可以看出6胸骨位移,第一肋骨,第二根肋骨,胸椎T₁- t₂段比其他人更大。的过程中拉伸脊柱,不仅脊柱的脊柱侧凸矫正也改变了脊柱的正常生理驼背。从图可以看出3 (c)T的位移₁- t₂段胸椎矢状面最大,最大值为6.216毫米。第一条肋骨和第二条肋骨连接到胸椎T₁- t₂、自胸骨柄和胸骨;肋骨的功能就像一个杆,所以当胸椎T₁- t₂段在矢状面,它将推动胸骨柄的位移和胸骨和导致胸腔的进一步崩溃。数值结果清楚地解释患者低血压的现象;脊柱侧凸的校正是影响呼吸和心跳22]。

数值模拟结果表明,位移边界条件的连接锁骨和胸骨柄在胸腔的变形有显著影响。边界条件的影响在X方向(冠状面)和脊柱影响相对较小的轴向方向变形的胸部,但是矢状平面的边界条件有很大影响变形的胸部。一旦胸骨的矢状面位移完全克制,胸骨不再是脊椎的崩溃,这并不符合的出现低血压患者的胸举与脊柱侧弯治疗文献[22]。

3.3。纠正脊柱的应力分析

脊椎的米塞斯应力如图7。脊椎的最大应力为30.2 MPa,它出现在胸椎T₁- t₂段。其余的压力更小。椎间盘的米塞斯应力如图8,椎间盘的压力最大是7.03 MPa。

3.4。分析校正力的脊柱

校正力的数值结果如图所示9;修正力修正位移成正比;与修正位移的增加,修正力逐渐增加。校正完成后,最大修正力达到467.9 N。随着位移的增加校正,Cobb角减少,校正转矩臂减少,和校正转矩取决于校正力和修正的手臂。横向弯曲角减少时,校正力增加。

3.5。数值模拟的结果的主犯过程,伸展脊柱

胸腔的位移和压力可以通过数值模拟获得的脊柱微创手术和拉伸。数据10和11展示胸部的位移在矢状面和冠状面。可以看出,胸骨(矢状面)提高到41.953毫米,其次是肋骨的向上运动。崩溃的症状胸举是改善。位移的最大值Ux冠状平面上的是2.19毫米,这是位于T₇- t₈的脊柱。最小值是−2.995毫米,这是位于T₃- t₄的脊柱。脊椎的最大位移为8.176毫米;轴的方向脊椎,Cobb角明显降低了。数值结果取得的效果同时校正漏斗胸举和脊柱侧凸。米塞斯应力是均匀分布的;最大米塞斯应力位于胸骨和胸椎骨T₁- t₄,最大值76.6 MPa和23.4 MPa,分别。它可能是主犯的痛苦过程的主要原因以及纠正脊柱。

数值计算的修正力位移图所示12。修正力和位移的关系的调整基本上是线性的。修正力增加随着位移的增加。校正完成后,最大修正力达到319.52 N。初校正,校正力很小。随着位移的增加修正,脊柱侧凸的症状减少,Cobb角减少,和校正力增加。

3.6。数值模拟结果发布后拉伸校正

脊椎的轴向位移是删除,只有漏斗胸的微创修正位移举保存。胸腔的位移在矢状面图所示(13日);最大位移的数值结果表明,校正−41.48毫米,发生在较低的胸骨、肋骨的左4、左五,六个,三个,四个,五个,六个明显提高。整个漏斗胸症状明显改善。图13 (b)修正后显示了胸腔的米塞斯应力分布;我们可以看到,胸骨上的最大应力位置,这与修正位移的位置是一致的。最大的压力是45.9 MPa。

图13 (c)显示了胸部位移向量;可以看出,更大的位移是位于胸骨。除了校正横向曲率的脊椎,也纠正了伸展脊柱的正常过程中凸。

数值结果的校正和米塞斯应力脊柱图所示14;从计算结果可以看出,T₃- t₅部分胸脊柱两侧的横向向左移动1毫米(X方向),这表明,漏斗胸和脊柱侧弯的同时可以帮助改善脊柱侧弯和脊柱的最大应力为22.6 MPa,位于横截面的T₁的胸脊柱。这可能与加载位移的方法。

如图15,胸骨位移变化梯度。最大位移是位于胸骨。最大值为40.502毫米。胸骨柄上的最小位移为15.478毫米。胸骨最大应力为45.9 MPa。

图16显示了位移和米塞斯应力分布沿矢状面后修正。更严重的崩溃发生在左肋骨的四,五,在同一时间,肋骨的四,五是显著升高;漏斗胸的症状改善。最大的压力是39.5 MPa,位于右侧的肋骨。它可能造成的应力集中载荷的脊椎矫正方式。

3.7。校正的数值结果的比较胸与脊柱侧弯举

从表1少,有差异的最大位移胸骨除了拉伸校正和有很多不同的最小位移自胸骨柄。结果显示删除的位移伸展脊柱,释放伸展脊柱的结果是比主犯的过程。结果表明,同时校正和释放的脊柱伸展举术有利于改善漏斗胸。同时,释放伸展脊柱侧凸的最大应力接近主犯的过程。

4所示。讨论

有许多因素影响变形的胸腔和脊柱。在本文中,我们调查的影响脊柱的伸展变形的胸部生物力学的观点。到目前为止,还没有明确的结论漏斗胸的校正顺序举和脊柱侧凸。举术漏斗胸患者往往伴有脊柱侧凸的症状。根据临床经验,为患者胸壁畸形并不严重,医生可以做脊椎矫正,然后正确的漏斗胸举;汇众田报道的右凸胸脊柱胸举术治疗第一脊椎牵引,然后胸举2005年修正,取得一个满意的结果23]。然而,对于患者严重胸举和脊柱侧凸的治疗首先应主犯程序然后脊柱侧凸矫正。2008年,密歇根大学的布莱恩等人从第一次执行的主犯程序漏斗胸的孩子和脊柱侧弯举,然后纠正脊柱侧凸(22]。在漏斗胸胸脊柱侧凸畸形的极其复杂和多样。许多因素如漏斗胸的位置和深度和横向弯曲的脊椎可能影响校正的结果。本文的目的是探讨手术方法减少疼痛病人的风险和改善漏斗胸的症状和脊柱侧凸,为临床手术的设计提供参考。

5。结论

(1)本文用数值模拟方法模拟的过程同时主犯过程和scoliosis-stretching校正。发现脊柱的伸展胸腔变形和应力的影响。数值结果清楚地解释患者低血压的现象;脊柱侧凸的校正是影响呼吸和心跳。(2)数值模拟结果表明,修正的漏斗胸举和脊柱侧弯的同时可以帮助改善症状的漏斗胸举和脊柱侧凸。同时,释放的弹性位移校正后脊柱可以帮助提高胸骨和有利于主犯过程。(3)比较不同校正方法,发现自胸骨柄的位移释放的脊柱大于主犯的程序和胸骨米塞斯应力接近主犯的过程。比较同步校正的结果,主犯过程的结果,和释放的结果修正伸展脊柱,发现加载路径影响校正的结果,这表明不仅主犯过程的过程还脊柱的伸展是非线性的过程,而不是线性的。

缩写

体育:	胸的举
CT:	计算机断层扫描
日本:	数字医学想象和沟通
景深:	自由度。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

Jin-Duo你们设计的研究方法和技术路线;广谱Lu和晶晶峰进行了数值模拟;魏宏钟分析结果和写的手稿。所有作者阅读和批准最终的手稿。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(11372221,11372221)。Jifu刘主任的综合医院,北京的命令,提供病人的材料和完成了主犯过程。