青少年特发性脊柱侧凸有限元模型建立与验证的研究现状及进展

摘要

背景:青少年特发性脊柱侧凸在中国发病率高,且病情复杂,对青少年的身心健康具有显著危害。基于患者医学影像建立有限元模型可有效分析脊柱应力,模拟不同治疗方法的恢复效果,为患者治疗方式的选择提供科学依据。但目前有限元模型的建立方式种类繁多,尚未形成统一标准,模型质量参差不齐,验证方法也有待完善。目的:从软件选择、关键结构建模(椎体、椎间盘、韧带和躯干模型)及材料赋值等方面综述近年来青少年特发性脊柱侧凸模型建立的研究现状,从几何形态、已有文献对比、实验验证等角度概述模型验证的研究进展,总结分析有限元模型的不足与发展方向。方法:第一作者于2021年12月应用计算机在Web of Science和中国知网数据库检索2010年1月至今发表的相关文献,以“Adolescent idiopathic scoliosis,Finite Element,Biomechanical”为英文检索词,以“青少年特发性脊柱侧凸、有限元、生物力学”为中文检索词,追溯高引用权威参考文献,最终纳入83篇文献进行综述分析。结果与结论:(1)有限元法能够重建脊柱的三维模型,通过生物力学分析模拟脊柱的生理状态,为青少年特发性脊柱侧凸的保守治疗和手术治疗提供理论依据和方案参考。(2)国内外有限元模型建立方式差别较大,中国学者多采用全脊柱CT检测,通过逆向工程重建椎骨,根据椎骨模型反推椎间盘、韧带、上下终板及关节软骨等结构,国外多使用具有多平面自校准X射线的EOS成像系统建立椎骨模型。(3)尽管模型建立过程中的具体软件选择有所区别,但从软件分类上看均包括医学影像处理软件、三维建模软件和有限元分析软件。(4)关于椎骨、椎间盘的有限元材料赋值已形成较为统一标准,但韧带模型由于单元设置不同,材料赋值也有所差异,而韧带的赋值会显著影响模型的结果。(5)有限元模型的验证方式主要包括与原始医学影像对比的几何验证、与已有文献结果对比的力学验证以及对有限元分析结果的临床试验验证3大类。