用于脊柱侧弯矫正的 Halo-骨盆牵引技术的有限元模型的建立及生物力学分析

《Frontiers in Physiology》：The establishment and biomechanical analysis of finite element model for halo-pelvic traction in scoliosis correction

HPT通过逐渐拉伸支撑杆实现可控矫正力，改善心肺功能并降低二次手术风险，但其力学机制尚不明确。本研究基于患者CT数据构建HPT有限元模型，验证显示其解剖和力学参数与临床测量高度吻合（Cobb角误差<0.5°，L4-L5位移误差<2mm）。不同牵引距离下，MS模型（轻度脊柱侧弯）的骨钉应力在150mm时达956.99MPa（超过316L不锈钢屈服强度690MPa的138%），而SS模型（重度侧弯）在150mm时骨钉应力仅577.71MPa（82%屈服强度），且 cranial pin tract应变在125mm时已达2.39%（超过骨组织安全阈值2%）。研究提出动态调整牵引力的必要性，SS模型建议保持牵引距离<150mm，MS模型需<125mm以避免骨钉失效风险。

　　在医学领域，脊柱畸形的治疗一直是一个复杂而重要的课题。随着医学技术的进步，越来越多的治疗手段被应用于改善患者的脊柱状况，其中，Halo-pelvic牵引（HPT）因其独特的牵引方式和良好的临床效果而受到关注。HPT是一种通过逐渐延长支撑杆来实现脊柱矫正的手段，其核心在于利用金属支架和骨钉的组合，对脊柱施加可控的牵引力，从而达到改善脊柱形态、增强胸腹腔容量、提升患者呼吸功能和生活质量的目的。然而，尽管HPT在临床中被广泛应用，其在生物力学层面的具体机制仍未被充分研究，尤其是缺乏一个能够全面模拟Halo-pelvic脊柱-骨盆结构的有限元模型。这使得医生在制定牵引方案时，往往依赖于经验判断，缺乏科学依据。因此，本研究的目标是建立一个全面的Halo-pelvic牵引模型，并评估其在脊柱畸形矫正中的生物力学可靠性。

本研究采用了患者CT影像数据，通过Mimics软件进行图像重建，随后在Geomagic Wrap中对模型进行优化处理，并在UG12中完成模型的组装。最终，模型被导入Ansys进行有限元分析。在建立模型的过程中，研究人员定义了合理的材料属性和边界条件，以确保模拟结果的真实性和准确性。为了验证模型的有效性，研究团队通过测量模型中的几何参数以及应力加载测试（包括T1-T4活动范围、T12-L2刚度和L4-L5位移）与已发表的文献数据进行对比分析。结果显示，模型的几何参数与临床测量值之间的差异极小，表明该模型具有较高的解剖学和生物力学准确性。

对于Halo-pelvic牵引技术的分析，本研究重点探讨了不同牵引距离下对脊柱和骨盆结构的影响。在MS模型（一种轻度脊柱侧凸模型）中，当牵引距离达到150 mm时，骨盆骨钉的应力值超过了316L不锈钢的屈服强度（690 MPa），这表明在该牵引距离下，骨钉可能会发生塑性变形或断裂，从而影响牵引效果。此外，牵引距离增加还会导致骨钉通道的应变值上升，其中颅骨骨钉通道的应变在125 mm时已经超过了正常骨组织的应变阈值（2%），这提示颅骨存在骨折风险，进而可能导致骨钉移位。相比之下，在SS模型（一种重度脊柱侧凸模型）中，随着牵引距离的增加，骨盆和颅骨骨钉的应力值以及骨钉通道的应变值均呈现出上升趋势，但即便在最大牵引距离150 mm时，这些值仍低于临界阈值，表明该模型在安全性方面表现较好。然而，研究也指出，对于SS模型，牵引力的动态调整仍然是必要的，以确保矫正效果与患者安全之间的平衡。

Halo-pelvic牵引技术具有诸多优势，例如能够提供连续且可控的牵引力，避免因长时间卧床导致的关节僵硬和褥疮等并发症，同时其牵引力和牵引距离可以根据患者的具体情况进行调整，从而实现个性化的治疗方案。然而，这一技术也面临一些挑战，包括骨钉松动、移位以及骨钉通道骨折等问题。这些风险因素不仅影响了治疗效果，还可能对患者的康复进程造成阻碍。因此，建立一个精确的有限元模型，能够帮助医生更好地理解牵引过程中脊柱和骨盆结构的力学变化，从而优化牵引参数的选择。

在本研究中，MS模型和SS模型分别代表了轻度和重度脊柱侧凸情况。通过模拟不同牵引距离下的应力和应变分布，研究人员发现，在轻度脊柱侧凸模型中，牵引距离过大会显著增加骨钉通道的应变值，甚至可能导致颅骨骨折。这表明，对于轻度脊柱侧凸患者，牵引距离不宜过大，否则可能带来额外的健康风险。而对于重度脊柱侧凸患者，Halo-pelvic牵引则显示出更好的适用性和安全性。研究结果显示，当牵引距离达到150 mm时，SS模型的骨钉应力值和应变值仍处于安全范围内，但牵引力的动态调整仍然不可忽视。这一结论与临床经验相吻合，即在治疗过程中，医生需要根据患者的反应和脊柱的适应性，适时调整牵引力，以确保治疗效果的最大化。

在实际临床应用中，Halo-pelvic牵引技术已经被广泛用于各种类型的脊柱畸形矫正，包括先天性脊柱侧凸、神经肌肉性脊柱侧凸以及结核性脊柱后凸等。对于这些情况，HPT能够有效缓解脊柱的弯曲程度，改善胸腹腔的容积，进而提升患者的呼吸功能和整体健康状况。然而，对于轻度脊柱侧凸，HPT的应用相对较少，尤其是在是否适合作为过渡治疗手段方面，缺乏足够的研究支持。本研究通过建立MS模型，初步探讨了HPT在轻度脊柱侧凸治疗中的应用潜力，发现适度的牵引距离（如50 mm）虽然能够提高脊柱的矫正效果，但也可能增加骨钉通道的应变，提示医生在选择牵引参数时需谨慎权衡。

此外，研究还指出，Halo-pelvic牵引技术的临床应用需要充分考虑个体差异。例如，骨质较差的患者在牵引过程中可能更容易出现骨钉松动或断裂的风险，而肌肉较为发达的患者则可能需要更大的牵引力才能实现有效的矫正。同样，脊柱的柔韧性也会影响牵引效果，对于较为僵硬的脊柱，可能需要更高的牵引力才能达到预期的矫正目标。因此，个体化的牵引方案设计显得尤为重要，这不仅能够提高治疗的成功率，还能够减少潜在的并发症。

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。首先，当前的有限元模型并未考虑胸腔、肌肉、韧带和脊髓等结构对牵引过程的影响，这些因素在实际治疗中可能对脊柱的力学行为产生重要影响。其次，本研究仅基于单个患者的模型进行分析，未涉及不同患者群体的差异性，这可能限制了研究结果的普遍适用性。未来的研究可以进一步扩大样本量，以更全面地分析不同类型的脊柱畸形在HPT治疗中的表现。此外，由于Halo-pelvic牵引本质上是一个动态过程，而本研究采用了静态模型进行模拟，因此，未来的模型构建应更加注重动态牵引机制的模拟，以更真实地反映实际治疗中的力学变化。

总的来说，本研究通过建立有限元模型，为Halo-pelvic牵引技术的临床应用提供了重要的理论支持和实践指导。研究结果表明，HPT在重度脊柱侧凸治疗中具有良好的适用性和安全性，但需注意牵引距离和牵引力的控制，以避免骨钉通道的应变超过临界值。对于轻度脊柱侧凸，HPT可能作为过渡治疗手段，但需结合患者的个体情况，合理选择牵引参数。此外，研究还强调了建立更全面、动态的有限元模型的重要性，以进一步揭示HPT在脊柱畸形矫正中的生物力学机制，为未来的研究和临床实践提供更坚实的理论基础。