基于流固耦合有限元分析的分级椎体缩短对脑脊液动力学及脊髓前动脉灌注影响的仿真研究

《Scientific Reports》：Effects of vertebral shortening during corrective osteotomy for spinal deformity on spinal cord biomechanics and cerebrospinal fluid-anterior spinal artery fluid-structure interaction

　　

摘要

严重脊柱畸形的矫正截骨术需要椎体缩短，但安全的缩短程度仍不确定。本研究采用流固耦合有限元分析，探讨分级椎体缩短如何影响脑脊液（CSF）动力学和脊髓前动脉（ASA）灌注。根据一名16岁男性脊柱侧凸患者的CT数据，重建了T1-T12三维模型。模拟了T8/T9后路椎体切除的四种情况：无缩短，以及缩短三分之一、二分之一和三分之二。使用耦合的脑脊液-硬脑膜和血管壁模型来量化压力、壁面剪切应力、流速、结构应力和位移。当缩短程度不超过二分之一时，脑脊液壁面剪切应力（约0.04 Pa）和流速（约0.014 m/s）保持稳定，而脊髓前动脉管腔压力和流速随血管壁应力和位移逐渐下降，表明血流动力学代偿得以维持且机械负荷减轻。当缩短三分之二时，脑脊液壁面剪切应力（0.4998 Pa）和流速（0.16009 m/s）分别增加约12倍和11倍；硬脑膜应力增加约34%，而位移仅增加1.2%，表现出非线性的应力-位移解耦现象。脊髓前动脉管腔压力、流速、血管壁应力和位移也反弹至最高值。在该患者特异性模型中，缩短程度不超过二分之一与脑脊液动力学的相对稳定和血管的渐进性卸载相关，而缩短三分之二则导致脑脊液和脊髓前动脉相关生物力学变量的显著非线性变化。这些发现表明，在缩短二分之一到三分之二之间存在模型推导出的生物力学转变；然而，该转变不应被解释为经临床验证的安全阈值。