有限元法生物力学分析在青少年特发性脊柱侧凸治疗及病因研究中的应用

吴浩然，李 博，陈绍丰，李 明

(上海长海医院脊柱外科，上海 200433)

青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是一种在我国发病率较高的脊柱疾病，患者发病年龄多为10～16岁，除可造成各种脊柱三维畸形外，还可伴随腰背痛、心肺功能下降等多种症状[1]。由于AIS病程漫长且显著影响患者生活质量，对患者及其家属、社会均会造成严重负担。AIS病因尚不明确，既往研究支持遗传学说、椎外调控学说、环境学说及联合致病学说等多种可能机制，但尚未形成共识[2]。AIS治疗也较复杂，手术治疗及以支具为代表的非手术治疗效果仍存在争议[3]。针对上述情况，有限元法生物力学分析在近年来被较多地应用于AIS治疗及其病因研究中。有限元法生物力学分析可基于患者术前医学影像资料，建立与体内对应结构在疾病进展或治疗过程中生物力学反应类似的仿真模型，以寻找病因并优化治疗策略。本文即对这一方法在AIS领域的应用进行综述，以期为临床实践及进一步研究提供相关参考。

1 有限元法生物力学分析在AIS非手术治疗中的应用

临床实践中，因手术治疗指征存在争议、手术操作创伤大、麻醉风险高，应首先评估支具佩戴、理疗、体疗等非手术治疗方法对于AIS患者的可行性[4-5]。其中，支具佩戴疗法的疗效已获得一定临床认可。如Weinstein等[6]基于242例AIS患者进行的支具治疗试验报道，支具治疗组中75%的患者在骨骼成熟时未达手术干预指征(阈值为Cobb角大于50°)，未进行治疗的观察组中仅42%的患者未达手术干预指征，2组比较差异有统计学意义，提示支具治疗是控制AIS病情进展的有效方法。临床使用的AIS矫正支具类型较多，包括经典的Milwaukee支具、Boston支具等刚性支具和Spinecor等柔性支具[7]。此外，还可基于计算机辅助设计/制造(computer-aided design/computer-aided manufacturing,CAD/CAM)技术进行个体化非公模支具的定制生产。但由于AIS支具矫正为长期、动态的过程，CAD/CAM静态设计在实体生物力学反馈及佩戴舒适度方面仍有改进空间。对此，有限元法可进行补充。如Cobetto等[8]基于有限元法进行支具佩戴效果仿真，根据力学反馈模型调整支具接触表面积、压力垫厚度及位置、剪裁线、释放空间、支具开口等设计，结果发现定制支具时使用有限元法在Cobb角矫正反馈、支具重量及接触表面积方面较单纯使用CAD/CAM技术效果更好。但需要注意的是，使用有限元法进行支具设计同样需要操作人员根据仿真结果进行手动调整，因此矫正效果受到操作人员设计水平的影响。尽管Clin等[9]也曾报道过使用正交实验设计对15种支具设计关键因素组合(共12 288种)进行有限元法评估的案例，但这一研究中考察的各因素仍是根据既往临床经验选定的二分类变量(如束带张力仅考虑20 N和60 N两种情况)，结果具有一定的主观性。Weiss等[10]的研究提示，联合CAD/CAM技术及有限元法设计的支具较传统的根据分型手工设计的支具并无显著优势。此外，使用有限元法经聚乙烯塑料热塑或3D打印技术制造的矫形支具往往过于贴身，处于身体发育期的患者无法长程使用[11]。因此，虽然有限元法作为辅助支具设计的评估方法已体现出一定优势，但标准设计方式及长程佩戴设计方案仍有待进一步研究。

2 有限元法生物力学分析在AIS手术治疗中的应用

对于Cobb角较大或支具治疗无效的AIS患者，目前手术仍是控制侧凸程度、避免病情进展的最有效方法[12]。其中，椎弓根螺钉内固定矫形术(pedicle screw fixation，PSF)因较传统钩棒系统具有更好的矫形效果及更低的再次手术率，目前应用较多[13-15]。但PSF操作复杂，置钉手法、置钉密度、置棒顺序、融合范围选择等要素均可显著影响手术效果。有限元法生物力学分析因基于患者实际医学影像资料建模仿真，可对上述操作要素具体策略的选择给出指导。如张宏其等[16]报道，在对Lenke 6型AIS患者进行PSF时，有限元法模拟显示全节段置钉较关键锥置钉具有更好的矫形效果；郭超峰等[17]报道，在对Lenke 1BN型AIS患者进行PSF时，有限元法模拟显示以中立椎、稳定椎或稳定椎下一锥体作为下固定椎的手术策略进行矫形，疗效均无统计学差异。卢昌怀等[18]报道，在对Lenke 1AN型AIS患者进行PSF时，有限元法模拟显示以顶椎起始再依次向上、向下置棒较其他两种以中立椎起始的置棒技术具有更稳定的等效应力变化，可有效降低钉棒断裂风险。但此类研究主要采用单一患者的术前影像进行有限元法建模，同时PSF钉棒操作均为软件模拟，仅考察了手术时的应力及压力变化，尚缺乏远期随访数据，可能与实际情况存在一定偏差。因此，也有部分研究主张使用有限元法进行逐例的手术策略制订，而不进行亚型或更广人群的策略总结。如Agarwal等[19]报道了基于有限元法仿真技术，通过逐例建模和规范流程选定适当的矫形棒类型及撑开间隔，以维持矫形棒安全系数、减少矫形棒断裂，结果显示255 MPa为生长棒范式等效应力最大安全截断值。Henao等[20]报道了基于有限元法仿真技术对单一AIS患者使用3种矫形技术(哈灵顿牵拉、节段偏移、节段旋转)时脊髓及神经可承受的压力及应力模拟，结果显示哈灵顿牵拉法造成的胸腰段应力及应变最高，应谨慎使用。综上，当前有限元法用于AIS手术治疗前对操作策略进行评估时，部分中心的案例报道结果显示预后良好，而基于更大队列的普适性技术仍有待进一步发展。

3 有限元法生物力学分析在AIS病因研究中的应用

正确理解AIS在生物力学角度的病因，是进行合理支具设计及有效手术规划的基础，但截至目前尚无相关共识。这一情况主要是由于AIS在三维方向均可发生畸形，且病程较长、临床特征繁杂[1]。AIS在临床上存在Suk分型、King分型、Lenke分型以及PUMC(协和)分型等系统描述的多种表现[21-24]，影像学研究中则可观察到与健康对照者相比，AIS患者具有椎间盘及椎体形变、骨密度改变等多种特征[25-26]。对于多因素病因分析，上述各种表现及特征可直接导致较高的研究复杂度。因此在早期阶段，AIS病因研究者为控制研究难度往往只考察单因素病因。如Deane等[27]、Somerville[28]、White[29]支持的Hueter-Volkmann生长发育假说，主要考察骨性因素。尽管其符合AIS发生于骨骼快速生长的青春期这一生理背景，但在临床实践中可发现部分患者对支具治疗始终无疗效反应，提示单纯骨性矫正可能无法完全控制AIS病程[6-7]。因此，有研究者基于既往临床研究提示的AIS患者存在椎旁肌肉异常发育，主张肌肉因素是决定AIS是否进展的核心因素，这一假说主要由20世纪的部分研究支持[30-31]。近期Modi等[32]的研究基于回顾性队列研究发现，侧凸类型与AIS预后无显著相关性，且年龄较小的患者侧凸模式可经常变化，肌肉调控可能在AIS发病过程中的不同阶段分别以保护性或致病性因素存在，但这一研究并未给出直接证据。由于至今未能产生理想的AIS动物模型，上述假说均较难进行直接的因果重现研究。总之，以往的AIS病因研究常为单因素研究，混杂因素多，因果关系不明，且前瞻性研究较少，存在一定局限。

近年来，AIS病因研究逐渐由单一因素转向多因素致病假说[33]。而有限元法生物力学分析由于可直接基于具体病例进行仿真，充分考虑脊柱及相关软组织各受力面的压力及应力分布，且可直接进行支具及手术治疗等操作的效果模拟以验证病因假说，现已被较广泛地运用于AIS病因研究。事实上，有限元法生物力学分析在脊柱外科研究中的应用起步很早。Viviani等[34]于1986年报道了使用该方法进行脊柱侧凸建模。但受计算机性能、建模可用影像及理论认识等的限制，早期的有限元研究模型往往较为简化，大多仅考虑即时力学机制，而未考察AIS患者漫长病程中存在的生长调控等慢性作用。针对这一问题，Villemure等[35]于2002年基于Stokes等[36]的脊柱发育有限元模型，建立了两种受力方向不同的骺板生长调控模型，展示了AIS病程中可能存在的自我维持作用。Villemure等[37]还于2004年对既往研究总结的5种AIS可能发病机制(包括冠状面线性移位、矢状面线性移位、横截面旋转移位及两种组合移位学说)进行了有限元模型验证，发现冠状面线性移位是较符合临床实际表现的发病假说。Pasha[38]于2019年基于126例AIS患者及3例同年龄组健康对照者的队列研究建立了弹性杆有限元模型，发现矢状面脊柱曲线变化也符合临床实际表现，但该研究设计模型较为简化。除上述单纯骨性模型外，Schlager等[39]还报道了考虑胸膜腔内压的AIS有限元模型，Kamal等[40]报道了考虑骨骼肌与AIS骨性畸形间交互作用的有限元模型，显著完善了AIS有限元模型的仿真性。值得注意的是，有限元生物力学分析在AIS中不仅可以进行直接建模，也可作为力学特性测量方法。如Cheuk等[41]报道AIS患者腰椎体积骨密度与基于高分辨率外周定量X射线断层摄影影像进行有限元建模测得的桡骨远端刚度值具有显著相关性，即可通过这一方法使用较易获得的桡骨远端检查数据反映脊椎骨质情况，为AIS脊椎建模力学特性参考值的获取提供了新方法。

4 局限与不足

一般认为有限元法的应用中存在四大经典误差，即理想化误差、离散化误差、数值化误差及认知误差[42]。其中离散化误差及数值化误差来源于有限元方法和计算系统，一般认为较难完全去除且相对固定。在AIS生物力学分析相关应用中，理想化误差即建模时过度简化了人体实际存在结构或相互作用(如体腔压力、韧带、小关节等)，使建模仿真与真实情况存在偏差；认知误差即对报告进行主观分析时作出了不当评判，这是目前相关研究面临的主要挑战。对于理想化误差，尽管目前已有部分研究致力于完善AIS有限元模型，但目前主流研究考虑的建模要素主要基于CT影像，仍相对单一。对于认知误差，有限元法辅助的支具设计仍需要具有相当临床经验的专科医生进行经验性解读，缺乏相对固定的解读模式。最后，既往研究多基于患者单次影像学资料进行建模，尚未见参考患者病程发展中多次影像学资料进行纵向分析的案例，存在一定的数据流失。

5 总结与展望

综上所述，有限元法生物力学分析由于具有实体仿真、结果可视且建模便于互动试验的特点，现已在AIS的治疗及病因分析中得到广泛应用。部分经有限元法生物力学分析建立的仿真模型，验证并显著加深了临床医生对该病的理解及认识。在未来应用中，通过提高建模仿真度、扩大研究队列、规范解读方法并与临床随访结果交叉验证，有限元法生物力学分析有望揭示AIS的核心致病因素，并最终指导制订最佳临床治疗策略。