特发性脊柱侧凸柔韧性影响因素研究和评估方法的生物力学有限元分析
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【背景】特发性脊柱侧凸(IS)的柔韧性评估对于判断侧凸的结构性、选择手术入路和融合节段、预测矫形效果均具有重要的指导作用。然而,目前影响脊柱侧凸柔韧性的因素尚不清楚,相关研究较少。对柔韧性影响因素的研究,可以为柔韧性预测和手术策略的制定提供科学的依据。随着新型内固定器械的推出,脊柱侧凸矫正率不断改善,常用的一些柔韧性评估方法被证实无法准确预测手术效果,且这些方法随侧凸类型的变化评估能力变化较大,评估的稳定性差。【目的】筛选特发性脊柱侧凸柔韧性的影响因素,比较青少年特发性脊柱侧凸与成人脊柱侧凸柔韧性影响因素的异同,阐述柔韧性变化机制,为进一步预测柔韧性和手术策略的制定提供依据。分析常规柔韧性评估方法的力学机制,研发新型双向作用力的柔韧性评估方法,此方法应具有预测准确、适用范围广、重复性好的优点,并应具有模式化的配套设备,便于方法的推广普及。通过三维有限元模拟的方法,明确在柔韧性评估过程中不同力量加载方式下脊柱侧凸的形态变化,探索最佳力量加载方式,为评估方法的优化提供参考依据和理论支持。【方法】1.对比分析骨骼已成熟与未成熟的特发性脊柱侧凸柔韧性影响因素,将患者按照骨骼成熟度(Risser<5和Risser=5)分为两组,选择仰卧侧屈位片作为柔韧性评估方法。测量Cobb角,Bending角,并计算柔韧性。记录患者的年龄、性别、Risser征、侧凸位置(胸椎或胸腰段/腰椎侧凸)、是否经过支具治疗、顶椎旋转度、侧凸包含的椎体数。根据以上数据的不同性质,分别进行卡方检验、独立样本t检验和Mann-Whitney U检验,对比分析两组数据。将预定的各种影响因素分别与柔韧性进行Sperman相关性分析和多元线性回归分析(逐步回归法)。2.设计一种双向矫形力的柔韧性评估方法---牵引推压位片(PTF),自行设计电动牵引推压床。利用该设备,前瞻性的对牵引推压位片的效果进行了评估,并与仰卧侧屈位片(SB)、悬吊牵引位片(ST)、支点侧屈位片(FB)进行对比。将各种方法的预测角度和术后角度进行随机区组设计的方差分析、Pearson相关分析和线性回归分析。3.利用课题组已建立的脊柱侧凸三维有限元模性,研究柔韧性评估的生物力学机制。对模型进行牵引力加载下的有效性验证,在此基础上,设定不同力量加载组合方式,模拟常用柔韧性评估方法,对比分析侧凸Cobb角,顶椎偏离中线距离、顶椎旋转度和上、下端椎倾斜角,探索最佳力量加载方式。【结果】1.柔韧性影响因素研究共纳入Risser征<5患者217例,Risser征=5患者131例。两组患者的性别构成,Cobb角、顶椎旋转度、侧凸包含椎体数和经支具治疗患者比例均无显著差异。Risser征=5的患者组的年龄、Bending角比Risser征<5组显著偏大,柔韧性显著偏低,在侧凸位置分布中胸腰段/腰椎侧凸的比例偏高。相关分析及多元线性回归结果显示:在Risser<5组,顶椎旋转度、Cobb角、侧凸包含的椎体数和侧凸位置与柔韧性呈显著的负相关关系。与柔韧性存在显著线性回归关系的因素为Cobb角和侧凸位置,侧凸角度每增加1°,柔韧性下降0.837%,胸椎侧凸的柔韧性平均较胸腰段/腰椎侧凸低9.623%。在Risser征=5患者组,年龄、顶椎旋转度和Cobb角与柔韧性呈显著负相关关系。Cobb角和年龄与柔韧性存在显著线性回归关系,Cobb角每增加1°,柔韧性下降0.498%;年龄每增加1岁,柔韧性减少0.731%。顶椎的旋转度、侧凸包含椎体数、性别、是否接受过支具治疗这几个因素在两组患者中均与柔韧性无显著的线性回归关系。2.牵引推压位片评估方法研究共纳入患者34例,其中经内固定矫形的胸椎侧凸25例,腰椎/胸腰段侧凸18例,9例行双弯融合。胸椎侧凸组牵引推压位片预测的角度显著小于悬吊牵引位片,大于支点侧屈位片,与仰卧侧屈位片无显著差异;牵引推压位片、仰卧侧屈位片和支点侧屈位片预测的角度与术后角度均无明显差异,悬吊牵引位片与术后角度差异显著。各方法的预测值与术后角度之间均存在显著的相关关系,相关系数PTF>Fulcrum=SB>ST,在线性回归分析中有显著统计学意义。在胸腰段/腰椎侧凸组,牵引推压位片预测的角度显著小于悬吊牵引位片,与支点侧屈位片和仰卧侧屈位片无显著差异;仰卧侧屈位片、牵引推压位片和支点侧屈位片与术后角度无明显差异,悬吊牵引位片与术后角度差异显著。牵引推压位片和悬吊牵引位片的预测值与术后角度存在显著相关关系,回归分析有显著意义,而支点侧屈位片和仰卧侧屈位片的预测值与术后角度相关性不显著。3.有限元验证结果:牵引位X光片和有限元模拟结果的X轴坐标值(Wilcoxon检验)和Z轴坐标值(配对t检验)均无显著差异,从X光片得到的椎体中心连线与有限元模拟的椎体中心曲线吻合良好。各种不同的加载模式下的模拟数据经Sperman相关分析,主胸椎侧凸Cobb角、上胸椎侧凸Cobb角、顶椎(T8)偏离骶中线距离、上端椎(T5)倾斜角和下端椎(T11)倾斜角均与推压力大小呈负相关关系,顶椎(T8)旋转度与推压力大小呈正相关关系,顶椎(T3)旋转度与推压力无显著相关;牵引力与以上各测量值均无显著线性关系。主胸椎侧凸矫形效果最好的为给予全体重推压力而不给予牵引力的加载方式,其次为牵引和推压力均为体重1/2的加载方式。【结论】对于骨骼已成熟的成人特发性脊柱侧凸而言,Cobb角和年龄是显著影响其柔韧性的因素,而对于骨骼未成熟的青少年特发性脊柱侧凸,影响因素则是Cobb角和侧凸位置。本研究自主研发成功了牵引推压床,并首次报道了使用精确控制的双向作用力进行柔韧性评估的方法,该方法能够准确预测术后角度,是一种可适用于不同侧凸,并且相对稳定和准确的预测方法。本研究首次将三维有限元应用于对脊柱侧凸的柔韧评估方法的模拟研究,分析了不同矫形力加载方式下的矫形效果,发现推压力对模型矫形影响较大,而牵引力对矫形的影响较小,单纯给予全体重推压力的加载模式和1/2体重推压力+1/2体重牵引力的加载模式是对该模型主胸椎侧凸Cobb角矫正较好的两种模式,推压力的增加反而加重了主胸椎侧凸的顶椎旋转,这一研究结果为柔韧性评估方法的优化提供了科学依据。
摘要 | 第6-9页 |
Abstract | 第9-12页 |
缩略词表 | 第13-14页 |
前言 | 第14-16页 |
第一部分 特发性脊柱侧凸柔韧性影响因素分析 | 第16-38页 |
一、引言 | 第16-17页 |
二、资料与方法 | 第17-23页 |
三、结果 | 第23-29页 |
四、讨论 | 第29-37页 |
五、结论 | 第37页 |
六、相关研究成果 | 第37-38页 |
第二部分 牵引推压位片在特发性脊柱侧凸柔韧性评估中的应用 | 第38-58页 |
一、引言 | 第38-39页 |
二、材料与方法 | 第39-45页 |
三、结果 | 第45-48页 |
四、讨论 | 第48-57页 |
五、结论 | 第57页 |
六、相关研究成果 | 第57-58页 |
第三部分 柔韧性评估方法生物力学有限元模拟分析 | 第58-77页 |
一、引言 | 第58页 |
二、材料与方法 | 第58-63页 |
三、结果 | 第63-71页 |
四、讨论 | 第71-76页 |
五、结论 | 第76-77页 |
总结 | 第77-78页 |
文献综述一 | 第78-83页 |
文献综述二 | 第83-91页 |
参考文献 | 第91-98页 |
在读期间发表论文和参加科研工作情况 | 第98-102页 |
致谢 | 第102-103页 |
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