有限元法生物力學分析在青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸治療及病因研究中的應用

吳浩然，李 博，陳紹豐，李 明

(上海長海醫(yī)院脊柱外科，上海 200433)

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是一種在我國發(fā)病率較高的脊柱疾病，患者發(fā)病年齡多為10～16歲，除可造成各種脊柱三維畸形外，還可伴隨腰背痛、心肺功能下降等多種癥狀[1]。由于AIS病程漫長且顯著影響患者生活質(zhì)量，對患者及其家屬、社會均會造成嚴重負擔。AIS病因尚不明確，既往研究支持遺傳學說、椎外調(diào)控學說、環(huán)境學說及聯(lián)合致病學說等多種可能機制，但尚未形成共識[2]。AIS治療也較復雜，手術(shù)治療及以支具為代表的非手術(shù)治療效果仍存在爭議[3]。針對上述情況，有限元法生物力學分析在近年來被較多地應用于AIS治療及其病因研究中。有限元法生物力學分析可基于患者術(shù)前醫(yī)學影像資料，建立與體內(nèi)對應結(jié)構(gòu)在疾病進展或治療過程中生物力學反應類似的仿真模型，以尋找病因并優(yōu)化治療策略。本文即對這一方法在AIS領(lǐng)域的應用進行綜述，以期為臨床實踐及進一步研究提供相關(guān)參考。

1 有限元法生物力學分析在AIS非手術(shù)治療中的應用

臨床實踐中，因手術(shù)治療指征存在爭議、手術(shù)操作創(chuàng)傷大、麻醉風險高，應首先評估支具佩戴、理療、體療等非手術(shù)治療方法對于AIS患者的可行性[4-5]。其中，支具佩戴療法的療效已獲得一定臨床認可。如Weinstein等[6]基于242例AIS患者進行的支具治療試驗報道，支具治療組中75%的患者在骨骼成熟時未達手術(shù)干預指征(閾值為Cobb角大于50°)，未進行治療的觀察組中僅42%的患者未達手術(shù)干預指征，2組比較差異有統(tǒng)計學意義，提示支具治療是控制AIS病情進展的有效方法。臨床使用的AIS矯正支具類型較多，包括經(jīng)典的Milwaukee支具、Boston支具等剛性支具和Spinecor等柔性支具[7]。此外，還可基于計算機輔助設(shè)計/制造(computer-aided design/computer-aided manufacturing,CAD/CAM)技術(shù)進行個體化非公模支具的定制生產(chǎn)。但由于AIS支具矯正為長期、動態(tài)的過程，CAD/CAM靜態(tài)設(shè)計在實體生物力學反饋及佩戴舒適度方面仍有改進空間。對此，有限元法可進行補充。如Cobetto等[8]基于有限元法進行支具佩戴效果仿真，根據(jù)力學反饋模型調(diào)整支具接觸表面積、壓力墊厚度及位置、剪裁線、釋放空間、支具開口等設(shè)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)定制支具時使用有限元法在Cobb角矯正反饋、支具重量及接觸表面積方面較單純使用CAD/CAM技術(shù)效果更好。但需要注意的是，使用有限元法進行支具設(shè)計同樣需要操作人員根據(jù)仿真結(jié)果進行手動調(diào)整，因此矯正效果受到操作人員設(shè)計水平的影響。盡管Clin等[9]也曾報道過使用正交實驗設(shè)計對15種支具設(shè)計關(guān)鍵因素組合(共12 288種)進行有限元法評估的案例，但這一研究中考察的各因素仍是根據(jù)既往臨床經(jīng)驗選定的二分類變量(如束帶張力僅考慮20 N和60 N兩種情況)，結(jié)果具有一定的主觀性。Weiss等[10]的研究提示，聯(lián)合CAD/CAM技術(shù)及有限元法設(shè)計的支具較傳統(tǒng)的根據(jù)分型手工設(shè)計的支具并無顯著優(yōu)勢。此外，使用有限元法經(jīng)聚乙烯塑料熱塑或3D打印技術(shù)制造的矯形支具往往過于貼身，處于身體發(fā)育期的患者無法長程使用[11]。因此，雖然有限元法作為輔助支具設(shè)計的評估方法已體現(xiàn)出一定優(yōu)勢，但標準設(shè)計方式及長程佩戴設(shè)計方案仍有待進一步研究。

2 有限元法生物力學分析在AIS手術(shù)治療中的應用

對于Cobb角較大或支具治療無效的AIS患者，目前手術(shù)仍是控制側(cè)凸程度、避免病情進展的最有效方法[12]。其中，椎弓根螺釘內(nèi)固定矯形術(shù)(pedicle screw fixation，PSF)因較傳統(tǒng)鉤棒系統(tǒng)具有更好的矯形效果及更低的再次手術(shù)率，目前應用較多[13-15]。但PSF操作復雜，置釘手法、置釘密度、置棒順序、融合范圍選擇等要素均可顯著影響手術(shù)效果。有限元法生物力學分析因基于患者實際醫(yī)學影像資料建模仿真，可對上述操作要素具體策略的選擇給出指導。如張宏其等[16]報道，在對Lenke 6型AIS患者進行PSF時，有限元法模擬顯示全節(jié)段置釘較關(guān)鍵錐置釘具有更好的矯形效果；郭超峰等[17]報道，在對Lenke 1BN型AIS患者進行PSF時，有限元法模擬顯示以中立椎、穩(wěn)定椎或穩(wěn)定椎下一錐體作為下固定椎的手術(shù)策略進行矯形，療效均無統(tǒng)計學差異。盧昌懷等[18]報道，在對Lenke 1AN型AIS患者進行PSF時，有限元法模擬顯示以頂椎起始再依次向上、向下置棒較其他兩種以中立椎起始的置棒技術(shù)具有更穩(wěn)定的等效應力變化，可有效降低釘棒斷裂風險。但此類研究主要采用單一患者的術(shù)前影像進行有限元法建模，同時PSF釘棒操作均為軟件模擬，僅考察了手術(shù)時的應力及壓力變化，尚缺乏遠期隨訪數(shù)據(jù)，可能與實際情況存在一定偏差。因此，也有部分研究主張使用有限元法進行逐例的手術(shù)策略制訂，而不進行亞型或更廣人群的策略總結(jié)。如Agarwal等[19]報道了基于有限元法仿真技術(shù)，通過逐例建模和規(guī)范流程選定適當?shù)某C形棒類型及撐開間隔，以維持矯形棒安全系數(shù)、減少矯形棒斷裂，結(jié)果顯示255 MPa為生長棒范式等效應力最大安全截斷值。Henao等[20]報道了基于有限元法仿真技術(shù)對單一AIS患者使用3種矯形技術(shù)(哈靈頓牽拉、節(jié)段偏移、節(jié)段旋轉(zhuǎn))時脊髓及神經(jīng)可承受的壓力及應力模擬，結(jié)果顯示哈靈頓牽拉法造成的胸腰段應力及應變最高，應謹慎使用。綜上，當前有限元法用于AIS手術(shù)治療前對操作策略進行評估時，部分中心的案例報道結(jié)果顯示預后良好，而基于更大隊列的普適性技術(shù)仍有待進一步發(fā)展。

3 有限元法生物力學分析在AIS病因研究中的應用

正確理解AIS在生物力學角度的病因，是進行合理支具設(shè)計及有效手術(shù)規(guī)劃的基礎(chǔ)，但截至目前尚無相關(guān)共識。這一情況主要是由于AIS在三維方向均可發(fā)生畸形，且病程較長、臨床特征繁雜[1]。AIS在臨床上存在Suk分型、King分型、Lenke分型以及PUMC(協(xié)和)分型等系統(tǒng)描述的多種表現(xiàn)[21-24]，影像學研究中則可觀察到與健康對照者相比，AIS患者具有椎間盤及椎體形變、骨密度改變等多種特征[25-26]。對于多因素病因分析，上述各種表現(xiàn)及特征可直接導致較高的研究復雜度。因此在早期階段，AIS病因研究者為控制研究難度往往只考察單因素病因。如Deane等[27]、Somerville[28]、White[29]支持的Hueter-Volkmann生長發(fā)育假說，主要考察骨性因素。盡管其符合AIS發(fā)生于骨骼快速生長的青春期這一生理背景，但在臨床實踐中可發(fā)現(xiàn)部分患者對支具治療始終無療效反應，提示單純骨性矯正可能無法完全控制AIS病程[6-7]。因此，有研究者基于既往臨床研究提示的AIS患者存在椎旁肌肉異常發(fā)育，主張肌肉因素是決定AIS是否進展的核心因素，這一假說主要由20世紀的部分研究支持[30-31]。近期Modi等[32]的研究基于回顧性隊列研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)凸類型與AIS預后無顯著相關(guān)性，且年齡較小的患者側(cè)凸模式可經(jīng)常變化，肌肉調(diào)控可能在AIS發(fā)病過程中的不同階段分別以保護性或致病性因素存在，但這一研究并未給出直接證據(jù)。由于至今未能產(chǎn)生理想的AIS動物模型，上述假說均較難進行直接的因果重現(xiàn)研究?？傊?，以往的AIS病因研究常為單因素研究，混雜因素多，因果關(guān)系不明，且前瞻性研究較少，存在一定局限。

近年來，AIS病因研究逐漸由單一因素轉(zhuǎn)向多因素致病假說[33]。而有限元法生物力學分析由于可直接基于具體病例進行仿真，充分考慮脊柱及相關(guān)軟組織各受力面的壓力及應力分布，且可直接進行支具及手術(shù)治療等操作的效果模擬以驗證病因假說，現(xiàn)已被較廣泛地運用于AIS病因研究。事實上，有限元法生物力學分析在脊柱外科研究中的應用起步很早。Viviani等[34]于1986年報道了使用該方法進行脊柱側(cè)凸建模。但受計算機性能、建?？捎糜跋窦袄碚撜J識等的限制，早期的有限元研究模型往往較為簡化，大多僅考慮即時力學機制，而未考察AIS患者漫長病程中存在的生長調(diào)控等慢性作用。針對這一問題，Villemure等[35]于2002年基于Stokes等[36]的脊柱發(fā)育有限元模型，建立了兩種受力方向不同的骺板生長調(diào)控模型，展示了AIS病程中可能存在的自我維持作用。Villemure等[37]還于2004年對既往研究總結(jié)的5種AIS可能發(fā)病機制(包括冠狀面線性移位、矢狀面線性移位、橫截面旋轉(zhuǎn)移位及兩種組合移位學說)進行了有限元模型驗證，發(fā)現(xiàn)冠狀面線性移位是較符合臨床實際表現(xiàn)的發(fā)病假說。Pasha[38]于2019年基于126例AIS患者及3例同年齡組健康對照者的隊列研究建立了彈性桿有限元模型，發(fā)現(xiàn)矢狀面脊柱曲線變化也符合臨床實際表現(xiàn)，但該研究設(shè)計模型較為簡化。除上述單純骨性模型外，Schlager等[39]還報道了考慮胸膜腔內(nèi)壓的AIS有限元模型，Kamal等[40]報道了考慮骨骼肌與AIS骨性畸形間交互作用的有限元模型，顯著完善了AIS有限元模型的仿真性。值得注意的是，有限元生物力學分析在AIS中不僅可以進行直接建模，也可作為力學特性測量方法。如Cheuk等[41]報道AIS患者腰椎體積骨密度與基于高分辨率外周定量X射線斷層攝影影像進行有限元建模測得的橈骨遠端剛度值具有顯著相關(guān)性，即可通過這一方法使用較易獲得的橈骨遠端檢查數(shù)據(jù)反映脊椎骨質(zhì)情況，為AIS脊椎建模力學特性參考值的獲取提供了新方法。

4 局限與不足

一般認為有限元法的應用中存在四大經(jīng)典誤差，即理想化誤差、離散化誤差、數(shù)值化誤差及認知誤差[42]。其中離散化誤差及數(shù)值化誤差來源于有限元方法和計算系統(tǒng)，一般認為較難完全去除且相對固定。在AIS生物力學分析相關(guān)應用中，理想化誤差即建模時過度簡化了人體實際存在結(jié)構(gòu)或相互作用(如體腔壓力、韌帶、小關(guān)節(jié)等)，使建模仿真與真實情況存在偏差；認知誤差即對報告進行主觀分析時作出了不當評判，這是目前相關(guān)研究面臨的主要挑戰(zhàn)。對于理想化誤差，盡管目前已有部分研究致力于完善AIS有限元模型，但目前主流研究考慮的建模要素主要基于CT影像，仍相對單一。對于認知誤差，有限元法輔助的支具設(shè)計仍需要具有相當臨床經(jīng)驗的專科醫(yī)生進行經(jīng)驗性解讀，缺乏相對固定的解讀模式。最后，既往研究多基于患者單次影像學資料進行建模，尚未見參考患者病程發(fā)展中多次影像學資料進行縱向分析的案例，存在一定的數(shù)據(jù)流失。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，有限元法生物力學分析由于具有實體仿真、結(jié)果可視且建模便于互動試驗的特點，現(xiàn)已在AIS的治療及病因分析中得到廣泛應用。部分經(jīng)有限元法生物力學分析建立的仿真模型，驗證并顯著加深了臨床醫(yī)生對該病的理解及認識。在未來應用中，通過提高建模仿真度、擴大研究隊列、規(guī)范解讀方法并與臨床隨訪結(jié)果交叉驗證，有限元法生物力學分析有望揭示AIS的核心致病因素，并最終指導制訂最佳臨床治療策略。