新型機(jī)翼狀記憶合金裝置治療腰椎峽部裂的有限元分析.pdf

1、背景:
　　 腰椎峽部裂是骨科常見疾病，發(fā)病率在4～6％之間，多見于青少年，在某些特殊人群當(dāng)中，比如運(yùn)動員則高達(dá)31％。早期疼痛、腰部活動障礙，后伸時較為明顯，經(jīng)鎮(zhèn)痛、理療等保守治療效果不佳，可逐漸惡化導(dǎo)致腰椎滑脫，出現(xiàn)腰骶部疼痛、坐骨神經(jīng)受累、間歇性跛行等癥狀。在臨床處理中，減壓、椎間融合和峽部植骨修復(fù)是外科治療的基本原則。以往創(chuàng)用了多種節(jié)段內(nèi)固定方法:如Buck螺釘、Nicol鋼絲捆綁、Hefti鉤螺釘固定等。目前主張采用節(jié)

2、段內(nèi)固定加植骨修復(fù)峽部裂，這些方法的應(yīng)用在一定程度上提高了峽部裂植骨融合率，但也帶來了諸多并發(fā)癥，尤其是對固定區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力遮擋，顯著增高鄰近節(jié)段的應(yīng)力，從而加速固定區(qū)域及鄰近節(jié)段椎間盤的退變。
　　 因此，有必要研制一種操作簡單、療效可靠且并發(fā)癥少的新型內(nèi)固定器。在醫(yī)用金屬材料選擇上，鎳鈦合金具有良好的組織相容性、耐腐蝕性、耐疲勞性，關(guān)鍵是鎳鈦合金獨(dú)特的記憶效應(yīng)可產(chǎn)生強(qiáng)大的回復(fù)力，對骨折端能夠進(jìn)行持續(xù)有效地動態(tài)加壓，在彈性固定的

3、基礎(chǔ)上，促進(jìn)骨折的愈合。我們科室自1998年就開始采用鎳鈦形態(tài)記憶合金系生物功能材料進(jìn)行內(nèi)固定器的研究，設(shè)計(jì)雙側(cè)“C”形卡環(huán)狀節(jié)段記憶合金內(nèi)固定器，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，相繼研制出整體型翼狀記憶合金內(nèi)固定器、新型機(jī)翼狀記憶合金節(jié)段內(nèi)固定器。
　　 外科內(nèi)固定器的研制設(shè)計(jì)工作要求嚴(yán)格，在投入臨床應(yīng)用之前必須進(jìn)行大量的生物力學(xué)檢測，傳統(tǒng)方法缺陷較多，最常見的是尸體模型缺乏力學(xué)變化，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高，尸源取材困難和不可重復(fù)，關(guān)鍵是無法準(zhǔn)確地

4、反映出各種不同工況下的模型內(nèi)部的生物力學(xué)特性。因此在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用受限，也在一定程度上阻礙了外科內(nèi)固定器的研發(fā)進(jìn)程。隨著醫(yī)學(xué)圖像捕捉和可視化技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件的升級和醫(yī)療檢查器械的精密化，有限元建模方法成為脊柱生物力學(xué)分析研究中不可或缺的重要組成部分。有限元的基本原理是由無限個質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成并且有有限個自由度的連續(xù)體劃分成有限個小單元體所組成的集合體。單元之間以節(jié)點(diǎn)相連，相互作用力通過節(jié)點(diǎn)傳遞。有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜

5、形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元引入到生物力學(xué)領(lǐng)域后，經(jīng)過近40年的不斷發(fā)展，由二維擴(kuò)展至三維，由線性模型擴(kuò)展至非線性模型。
　　 利用計(jì)算機(jī)模擬建立腰椎損傷后的內(nèi)固定模型，將腰椎和內(nèi)固定器分別劃分成單元和節(jié)點(diǎn)，施加邊界條件，可在不同工況下模擬脊柱生理活動，通過節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系式計(jì)算出每個單元的剛度矩陣，并通過數(shù)學(xué)公式求近似解，直接記錄不同材料、結(jié)構(gòu)的內(nèi)固定載荷分布，并且反映出內(nèi)固定和椎體間相互影響。值得肯

6、定的是，在復(fù)雜構(gòu)件上利用有限元進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，可大大提高效率，從而為內(nèi)固定裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供支持。
　　 本研究是在總結(jié)以往研究的基礎(chǔ)上，對腰椎有限元模型的有效構(gòu)建方法進(jìn)行了長時間的探索，然后構(gòu)建出了解剖結(jié)構(gòu)比較精細(xì)的正常 L1～S的有限元模型，分別在模型中模擬 L4節(jié)段雙側(cè)峽部斷裂及其不同彈性內(nèi)固定重建術(shù)式，以期為腰椎峽部裂后路彈性內(nèi)固定技術(shù)的臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)，評價其應(yīng)用前景。
　　 目的:
　

7、　 1.依據(jù)1名正常男性志愿者仰臥位下64排螺旋CT掃描的腰骶椎影像學(xué)資料，探討利用Mimics10.0、Geomagic studio 12.0、HyperMesh 10.0和Abaqus 10.1等軟件構(gòu)建出解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)的正常腰骶椎(L1～S)三維有限元模型的方法，并對其進(jìn)行有效性驗(yàn)證，使其能反映正常腰骶椎(L1～S)的生物力學(xué)特性。
　　 2.根據(jù)所建立的正常腰骶椎(L1～S)的三維有限元模型，建立腰椎L4節(jié)段雙側(cè)峽部斷

8、裂模型和腰4雙側(cè)峽部后ASMAF和NASMAF兩種不同內(nèi)固定技術(shù)重建模型。施加相同的載荷和扭矩，比較各種運(yùn)動狀態(tài)下鄰近節(jié)段壓力變化，同時分析兩種不同技術(shù)的內(nèi)固定應(yīng)力分布特點(diǎn)。
　　 方法:
　　 1.選取一名27歲正常男性，身高177 cm，體質(zhì)量72 kg，采用0.625 mm薄層CT掃描，利用Mimics10.0、Geomagic studio10.0軟件經(jīng)過圖片的篩選，預(yù)處理，提取邊界的坐標(biāo)生成表面三維圖像和三維實(shí)

9、體模型，再將此實(shí)體模型通過HyperMesh10.0軟件進(jìn)行網(wǎng)格化，最后導(dǎo)入Abaqus10.1軟件構(gòu)建立正常人腰骶椎(L1～S)三維有限元模型。邊界設(shè)定后，對模型施加500N預(yù)載荷及7.5Nm純力矩，使模型模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動狀態(tài)，計(jì)算各種工況下的椎間活動度，與White、Yamamoto等的尸體標(biāo)本生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證模型的有效性。
　　 2.在正常人腰骶椎(L1～S)三維有限元模型基礎(chǔ)上，

10、模擬L4雙側(cè)峽部斷裂手術(shù)，建立腰4峽部裂手術(shù)模型。利用交互式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件Unigraphics NX6.0的建模功能，繪制翼狀記憶合金內(nèi)固定和新型機(jī)翼狀記憶合金內(nèi)固定三維圖形。將記憶合金內(nèi)固定模型導(dǎo)入HyperMesh 10.0，參照后路不同后路固定技術(shù)( ASMAF、NASMAF)的手術(shù)固定方式，對內(nèi)固定系統(tǒng)的各部分進(jìn)行可視化調(diào)整，完成空間位置裝配。導(dǎo)入Abaqus 10.1軟件建立下腰4椎體峽部斷裂后重建手術(shù)的三維模型。對

11、模型施加500 N預(yù)載荷及7.5Nm力矩，使其模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動狀態(tài)，分別記錄各種模型的椎間壓力、模型內(nèi)固定的應(yīng)力分布特點(diǎn)及內(nèi)固定的應(yīng)力峰值。
　　 結(jié)果:
　　 1.建立了正常腰骶椎(L1～S)三維有限元模型，包括總節(jié)點(diǎn)數(shù)為31,431個，總單元數(shù)為161,404個。模擬加載的作用下，對模型進(jìn)行前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)作用下的各椎間活動度進(jìn)行測定，并與其他作者實(shí)測法所得的各椎間活動度進(jìn)行比

12、較，結(jié)果表明本模型在不同工況下的各椎間活動度，與White、Yamamoto等作者實(shí)驗(yàn)實(shí)測法所得的結(jié)果是吻合的。因此，可以認(rèn)為本模型是有效的，可以進(jìn)一步用于臨床和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 2.在各加載模式下， ASMAF內(nèi)固定技術(shù)重建后椎間壓力未明顯改變，NASMAF內(nèi)固定技術(shù)重建后椎間壓力明顯減少，具有良好的即刻防止鄰近節(jié)段退變的能力。內(nèi)固定應(yīng)力云圖顯示，ASMAF技術(shù)、NASMAF技術(shù)內(nèi)固定的 VonMises應(yīng)力分布特點(diǎn)存在明顯差

13、異。本研究應(yīng)力峰值結(jié)果顯示，在各種工況下，NASMAF技術(shù)組應(yīng)力峰值(＞100 MPa)較 ASMAF技術(shù)組高＜100 MPa)。
　　 結(jié)論:
　　 1.本實(shí)驗(yàn)建立了正常腰骶椎(L1～S)三維有限元模型，包括L1～S腰椎椎體皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨、腰椎間盤中的纖維環(huán)和髓核、上下終板、雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎弓根、椎板、橫突、棘突、主要韌帶(前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、橫突間韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶)。該三維有限元模型在前

14、屈、后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)各種工況下的腰椎椎間活動范圍與國外相關(guān)文獻(xiàn)資料一致，可進(jìn)行下一步的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。
　　 2.峽部斷裂后新型記憶合金內(nèi)固定技術(shù)重建的固定節(jié)段椎間壓力顯著下降，較以往研制的內(nèi)固定優(yōu)勢明顯。ASMAF應(yīng)力集中于鉤子彎折處，NASMAF應(yīng)力集中于側(cè)翼，尤其是側(cè)翼和底座的接合部分。新型內(nèi)固定在患椎下位椎體后部結(jié)構(gòu)有明顯的應(yīng)力傳遞，減輕了相應(yīng)椎間盤的應(yīng)力負(fù)荷。相比 ASMAF技術(shù)組，NASMAF技術(shù)組內(nèi)固定系

15、統(tǒng)側(cè)翼部承受著102MPa級應(yīng)力，仍有相對較高的斷裂風(fēng)險(xiǎn)，而相對較高的工藝和材料符合力學(xué)要求。
　　 主要創(chuàng)新點(diǎn):
　　 1.建立了幾何相似度較高的腰骶椎(L1～S)全節(jié)段有限元模型。相比國內(nèi)經(jīng)常采用的腰椎單節(jié)段模型，具有采集全域性信息的能力，可以在整體腰骶椎的運(yùn)動變化中，更準(zhǔn)確地分析腰椎損傷影響機(jī)制，并且，可以較為客觀的評價內(nèi)固定器的手術(shù)效果。在模型質(zhì)量上，網(wǎng)格劃分更加細(xì)密，節(jié)點(diǎn)分布更加均勻，本課題建立的腰骶椎有限元模

16、型包括總節(jié)點(diǎn)數(shù)為31,431個，總單元數(shù)為161,404個。
　　 2.鎳鈦合金價格高昂，制作工藝不夠成熟，發(fā)展緩慢，加上國內(nèi)生成記憶合金的醫(yī)療器械公司相對較少，因而，要求我們在記憶合金內(nèi)固定裝置的設(shè)計(jì)盡量完善可行。本課題于實(shí)體樣本產(chǎn)出前，首先在2D平面設(shè)計(jì)圖基礎(chǔ)上進(jìn)行三維立體繪制，然后直接植入腰椎有限元模型，檢測驗(yàn)證固定器的尺寸、結(jié)構(gòu)以及受力特點(diǎn)，避免樣本重復(fù)返工，為合作的醫(yī)療企業(yè)減輕不必要的經(jīng)費(fèi)開支和工作負(fù)擔(dān)。