青少年特发性脊柱侧弯的三维有限元模态分析

作     者：叶小龙 张语暄 富荣昌 刘云 玉散江·吾休尔 艾斯卡尔·艾麦尔 马原 Ye Xiaolong;Zhang Yuxuan;Fu Rongchang;Liu Yun;Yusanjiang·Wuhuer;Escar·Aimer;Ma Yuan

作者机构：新疆医科大学新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市830054 新疆大学智能制造现代产业学院(机械工程学院)新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市830092 新疆医科大学第六附属医院新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市830092 

出 版 物：《中国组织工程研究》 (Chinese Journal of Tissue Engineering Research)

年 卷 期：2025年第29卷第33期

页      面：7072-7079页

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1002[医学-临床医学] 100210[医学-外科学(含：普外、骨外、泌尿外、胸心外、神外、整形、烧伤、野战外)] 08[工学] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 100215[医学-康复医学与理疗学] 0836[工学-生物工程] 10[医学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(82260446) 项目负责人:马原 

主　　题：青少年特发性脊柱胸弯 有限元模态分析 三维有限元模型 生物力学特性 损伤风险 

摘      要：背景:青少年特发性脊柱侧弯是一种常见的脊柱畸形,严重影响患者的身心健康。模态分析将集中于解析胸椎的自然振动特性以及其在外部振动影响下的稳定性和响应,这一分析不仅有望增进对青少年特发性脊柱侧弯胸弯的理解,而且能为开发新的治疗策略、设计个性化支具和评估手术结果提供新的视角和方法。目的:建立三维有限元模型,评估青少年特发性脊柱侧弯患者全胸椎和椎间盘在不同振动频率下的响应模式,确定潜在的损伤风险频率范围。方法:研究于2023年6月至2024年6月在新疆医科大学第六附属医院和新疆大学博达校区机械工程学院共同完成。研究对象为1例重度青少年特发性脊柱侧弯胸弯患者,采用西门子双源螺旋CT机扫描获取CT图像,通过Mimics、Geomagic Studio、Solidworks和Hypermesh等软件建立精细的T_(1)-T_(12)全胸椎三维有限元模型。利用Abaqus软件对模型进行模态分析,获得全胸椎和椎间盘的前12阶模态最大振幅及其对应的振型。结果与结论:①模态分析结果显示,全胸椎和椎间盘在低阶模态下主要围绕X、Y轴发生弯曲及扭转,而在高阶模态中则增加了围绕Z轴的旋转;②T_(1)-T_(3)和T_(6)-T_(8)节段表现出最为显著的变形和较高的载荷负担,提示这些区域在脊柱侧弯发展中起关键作用;③当固有频率长期集中在98.832-121.97 cycles/s时,全胸椎和椎间盘的振动位移较大,可能导致脊柱损伤;④通过有限元模态分析,可为了解青少年特发性脊柱侧弯患者整个胸椎和椎间盘在不同振动频率下的响应提供科学依据,从而为临床治疗、预防,特别是与振动相关的防护策略提供了重要见解;此外,通过识别损伤风险的潜在频率范围,可为制定青少年特发性脊柱侧弯患者的振动防护措施和优化脊柱护理策略提供重要依据。