吳浩然，李 博，陳紹豐，李 明

(上海長(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)且顯著影響患者生活質(zhì)量，對(duì)患者及其家屬、社會(huì)均會(huì)造成嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。AIS病因尚不明確，既往研究支持遺傳學(xué)說(shuō)、椎外調(diào)控學(xué)說(shuō)、環(huán)境學(xué)說(shuō)及聯(lián)合致病學(xué)說(shuō)等多種可能機(jī)制，但尚未形成共識(shí)[2]。AIS治療也較復(fù)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(zhēng)議[3]。針對(duì)上述情況，有限元法生物力學(xué)分析在近年來(lái)被較多地應(yīng)用于AIS治療及其病因研究中。有限元法生物力學(xué)分析可基于患者術(shù)前醫(yī)學(xué)影像資料，建立與體內(nèi)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)在疾病進(jìn)展或治療過(guò)程中生物力學(xué)反應(yīng)類似的仿真模型，以尋找病因并優(yōu)化治療策略。本文即對(duì)這一方法在AIS領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述，以期為臨床實(shí)踐及進(jìn)一步研究提供相關(guān)參考。

1 有限元法生物力學(xué)分析在AIS非手術(shù)治療中的應(yīng)用

臨床實(shí)踐中，因手術(shù)治療指征存在爭(zhēng)議、手術(shù)操作創(chuàng)傷大、麻醉風(fēng)險(xiǎn)高，應(yīng)首先評(píng)估支具佩戴、理療、體療等非手術(shù)治療方法對(duì)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(rèn)可。如Weinstein等[6]基于242例AIS患者進(jìn)行的支具治療試驗(yàn)報(bào)道，支具治療組中75%的患者在骨骼成熟時(shí)未達(dá)手術(shù)干預(yù)指征(閾值為Cobb角大于50°)，未進(jìn)行治療的觀察組中僅42%的患者未達(dá)手術(shù)干預(yù)指征，2組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示支具治療是控制AIS病情進(jìn)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造(computer-aided design/computer-aided manufacturing,CAD/CAM)技術(shù)進(jìn)行個(gè)體化非公模支具的定制生產(chǎn)。但由于AIS支具矯正為長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)的過(guò)程，CAD/CAM靜態(tài)設(shè)計(jì)在實(shí)體生物力學(xué)反饋及佩戴舒適度方面仍有改進(jìn)空間。對(duì)此，有限元法可進(jìn)行補(bǔ)充。如Cobetto等[8]基于有限元法進(jìn)行支具佩戴效果仿真，根據(jù)力學(xué)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(kāi)口等設(shè)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)定制支具時(shí)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(jìn)行支具設(shè)計(jì)同樣需要操作人員根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，因此矯正效果受到操作人員設(shè)計(jì)水平的影響。盡管Clin等[9]也曾報(bào)道過(guò)使用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)15種支具設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素組合(共12 288種)進(jìn)行有限元法評(píng)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(yàn)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(jì)的支具較傳統(tǒng)的根據(jù)分型手工設(shè)計(jì)的支具并無(wú)顯著優(yōu)勢(shì)。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(guò)于貼身，處于身體發(fā)育期的患者無(wú)法長(zhǎng)程使用[11]。因此，雖然有限元法作為輔助支具設(shè)計(jì)的評(píng)估方法已體現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)，但標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方式及長(zhǎng)程佩戴設(shè)計(jì)方案仍有待進(jìn)一步研究。

2 有限元法生物力學(xué)分析在AIS手術(shù)治療中的應(yīng)用

對(duì)于Cobb角較大或支具治療無(wú)效的AIS患者，目前手術(shù)仍是控制側(cè)凸程度、避免病情進(jìn)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(yīng)用較多[13-15]。但PSF操作復(fù)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(xué)分析因基于患者實(shí)際醫(yī)學(xué)影像資料建模仿真，可對(duì)上述操作要素具體策略的選擇給出指導(dǎo)。如張宏其等[16]報(bào)道，在對(duì)Lenke 6型AIS患者進(jìn)行PSF時(shí)，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(bào)道，在對(duì)Lenke 1BN型AIS患者進(jìn)行PSF時(shí)，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(jìn)行矯形，療效均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。盧昌懷等[18]報(bào)道，在對(duì)Lenke 1AN型AIS患者進(jìn)行PSF時(shí)，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(yīng)力變化，可有效降低釘棒斷裂風(fēng)險(xiǎn)。但此類研究主要采用單一患者的術(shù)前影像進(jìn)行有限元法建模，同時(shí)PSF釘棒操作均為軟件模擬，僅考察了手術(shù)時(shí)的應(yīng)力及壓力變化，尚缺乏遠(yuǎn)期隨訪數(shù)據(jù)，可能與實(shí)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(jìn)行逐例的手術(shù)策略制訂，而不進(jìn)行亞型或更廣人群的策略總結(jié)。如Agarwal等[19]報(bào)道了基于有限元法仿真技術(shù)，通過(guò)逐例建模和規(guī)范流程選定適當(dāng)?shù)某C形棒類型及撐開(kāi)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(zhǎng)棒范式等效應(yīng)力最大安全截?cái)嘀?。Henao等[20]報(bào)道了基于有限元法仿真技術(shù)對(duì)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(shí)脊髓及神經(jīng)可承受的壓力及應(yīng)力模擬，結(jié)果顯示哈靈頓牽拉法造成的胸腰段應(yīng)力及應(yīng)變最高，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。綜上，當(dāng)前有限元法用于AIS手術(shù)治療前對(duì)操作策略進(jìn)行評(píng)估時(shí)，部分中心的案例報(bào)道結(jié)果顯示預(yù)后良好，而基于更大隊(duì)列的普適性技術(shù)仍有待進(jìn)一步發(fā)展。

3 有限元法生物力學(xué)分析在AIS病因研究中的應(yīng)用

正確理解AIS在生物力學(xué)角度的病因，是進(jìn)行合理支具設(shè)計(jì)及有效手術(shù)規(guī)劃的基礎(chǔ)，但截至目前尚無(wú)相關(guān)共識(shí)。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(zhǎng)、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(xué)研究中則可觀察到與健康對(duì)照者相比，AIS患者具有椎間盤(pán)及椎體形變、骨密度改變等多種特征[25-26]。對(duì)于多因素病因分析，上述各種表現(xiàn)及特征可直接導(dǎo)致較高的研究復(fù)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(zhǎng)發(fā)育假說(shuō)，主要考察骨性因素。盡管其符合AIS發(fā)生于骨骼快速生長(zhǎng)的青春期這一生理背景，但在臨床實(shí)踐中可發(fā)現(xiàn)部分患者對(duì)支具治療始終無(wú)療效反應(yīng)，提示單純骨性矯正可能無(wú)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(jìn)展的核心因素，這一假說(shuō)主要由20世紀(jì)的部分研究支持[30-31]。近期Modi等[32]的研究基于回顧性隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)凸類型與AIS預(yù)后無(wú)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(guò)程中的不同階段分別以保護(hù)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(dòng)物模型，上述假說(shuō)均較難進(jìn)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(lái)，AIS病因研究逐漸由單一因素轉(zhuǎn)向多因素致病假說(shuō)[33]。而有限元法生物力學(xué)分析由于可直接基于具體病例進(jìn)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(yīng)力分布，且可直接進(jìn)行支具及手術(shù)治療等操作的效果模擬以驗(yàn)證病因假說(shuō)，現(xiàn)已被較廣泛地運(yùn)用于AIS病因研究。事實(shí)上，有限元法生物力學(xué)分析在脊柱外科研究中的應(yīng)用起步很早。Viviani等[34]于1986年報(bào)道了使用該方法進(jìn)行脊柱側(cè)凸建模。但受計(jì)算機(jī)性能、建?？捎糜跋窦袄碚撜J(rèn)識(shí)等的限制，早期的有限元研究模型往往較為簡(jiǎn)化，大多僅考慮即時(shí)力學(xué)機(jī)制，而未考察AIS患者漫長(zhǎng)病程中存在的生長(zhǎng)調(diào)控等慢性作用。針對(duì)這一問(wèn)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(zhǎng)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(duì)既往研究總結(jié)的5種AIS可能發(fā)病機(jī)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(xué)說(shuō))進(jìn)行了有限元模型驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)冠狀面線性移位是較符合臨床實(shí)際表現(xiàn)的發(fā)病假說(shuō)。Pasha[38]于2019年基于126例AIS患者及3例同年齡組健康對(duì)照者的隊(duì)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(shí)際表現(xiàn)，但該研究設(shè)計(jì)模型較為簡(jiǎn)化。除上述單純骨性模型外，Schlager等[39]還報(bào)道了考慮胸膜腔內(nèi)壓的AIS有限元模型，Kamal等[40]報(bào)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(xué)分析在AIS中不僅可以進(jìn)行直接建模，也可作為力學(xué)特性測(cè)量方法。如Cheuk等[41]報(bào)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(jìn)行有限元建模測(cè)得的橈骨遠(yuǎn)端剛度值具有顯著相關(guān)性，即可通過(guò)這一方法使用較易獲得的橈骨遠(yuǎn)端檢查數(shù)據(jù)反映脊椎骨質(zhì)情況，為AIS脊椎建模力學(xué)特性參考值的獲取提供了新方法。

4 局限與不足

一般認(rèn)為有限元法的應(yīng)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(rèn)知誤差[42]。其中離散化誤差及數(shù)值化誤差來(lái)源于有限元方法和計(jì)算系統(tǒng)，一般認(rèn)為較難完全去除且相對(duì)固定。在AIS生物力學(xué)分析相關(guān)應(yīng)用中，理想化誤差即建模時(shí)過(guò)度簡(jiǎn)化了人體實(shí)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(shí)情況存在偏差；認(rèn)知誤差即對(duì)報(bào)告進(jìn)行主觀分析時(shí)作出了不當(dāng)評(píng)判，這是目前相關(guān)研究面臨的主要挑戰(zhàn)。對(duì)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(duì)單一。對(duì)于認(rèn)知誤差，有限元法輔助的支具設(shè)計(jì)仍需要具有相當(dāng)臨床經(jīng)驗(yàn)的?？漆t(yī)生進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性解讀，缺乏相對(duì)固定的解讀模式。最后，既往研究多基于患者單次影像學(xué)資料進(jìn)行建模，尚未見(jiàn)參考患者病程發(fā)展中多次影像學(xué)資料進(jìn)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(xué)分析由于具有實(shí)體仿真、結(jié)果可視且建模便于互動(dòng)試驗(yàn)的特點(diǎn)，現(xiàn)已在AIS的治療及病因分析中得到廣泛應(yīng)用。部分經(jīng)有限元法生物力學(xué)分析建立的仿真模型，驗(yàn)證并顯著加深了臨床醫(yī)生對(duì)該病的理解及認(rèn)識(shí)。在未來(lái)應(yīng)用中，通過(guò)提高建模仿真度、擴(kuò)大研究隊(duì)列、規(guī)范解讀方法并與臨床隨訪結(jié)果交叉驗(yàn)證，有限元法生物力學(xué)分析有望揭示AIS的核心致病因素，并最終指導(dǎo)制訂最佳臨床治療策略。