定向灌注椎弓根螺釘?shù)脑O(shè)計和實驗研究.pdf

1、1.研究背景： 自從Boucher采用長螺釘經(jīng)椎板、椎弓根達椎體固定腰骶關(guān)節(jié)取得成功以來，經(jīng)過不斷發(fā)展完善，椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)因其貫穿三柱、固定堅強而成為當(dāng)今臨床使用最為廣泛的脊柱后路內(nèi)固定器械，應(yīng)用于治療脊柱退行性病變，脊柱骨折，脊柱畸形及骨轉(zhuǎn)移瘤等病癥，這也是生物力學(xué)理論在脊柱內(nèi)固定實踐方面的體現(xiàn)。 椎弓根螺釘固定的可靠性取決于骨-螺釘界面把持力的維持，在臨床上，螺釘?shù)陌殉至Σ粔蚧蛐g(shù)后承載過大時，均會造成椎弓根螺釘

2、的松動或拔出，尤其是在骨質(zhì)疏松的患者中更為常見。此外，在術(shù)中植入椎弓根螺釘?shù)倪^程中，常出現(xiàn)首次植釘失敗，需要再次擰入螺釘，這也導(dǎo)致螺釘植入后把持力下降，螺釘松動、脫出。隨著椎弓根內(nèi)固定術(shù)的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致手術(shù)失敗的螺釘松動、脫出、假關(guān)節(jié)形成等屢有報道，針對這些失敗病例的翻修手術(shù)也越來越多。如何提高椎弓根螺釘?shù)姆€(wěn)定性已成為當(dāng)今脊柱外科研究的焦點之一。 通常的翻修手術(shù)有增加椎弓根螺釘直徑、長度，在釘?shù)纼?nèi)充填其他材料等。但實踐證明，增加

3、椎弓根螺釘直徑可增加椎弓根骨折、神經(jīng)根損傷的危險，且對多數(shù)病人并不適合；增加螺釘長度則可增加椎體前緣骨質(zhì)穿破、椎體前方重要血管和臟器損傷的危險；而在釘?shù)纼?nèi)充填固定材料也存在著一些弊端。因此，如何在椎體的解剖限制范圍內(nèi)有效提高骨-螺釘界面的把持力，確保固定的可靠性及穩(wěn)定性，成為經(jīng)椎弓根內(nèi)固定器械的研究熱點。目前聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)強化是使用最多的椎弓根螺釘翻修術(shù)式。研究證實，PMMA能

4、顯著增加椎弓根螺釘?shù)陌纬隽?，隨著PMMA強化方式的不同，椎弓根螺釘?shù)墓潭◤姸瓤稍黾?9％-183％。然而PMMA強化有潛在的危險性，一旦發(fā)生滲漏，骨水泥的熱效應(yīng)可損傷神經(jīng)、血管、脊髓等，而遠期更有椎管內(nèi)異物存留導(dǎo)致壓迫等危險。骨水泥注射過程中粘合劑過稠則難以均勻分布，過稀則有椎體外滲漏危及鄰近營養(yǎng)血管和神經(jīng)根之虞。 有鑒于此，本課題希望設(shè)計一種可定向灌注椎弓根螺釘，使得骨水泥灌注方向可控，減少骨水泥滲漏的發(fā)生率，以減少骨水泥滲漏

5、入椎管和椎間孔引起脊髓壓迫和神經(jīng)根變性的發(fā)生率，并為椎弓根螺釘翻修術(shù)提供新的選擇。 2.目的： 2.1使用計算機輔助設(shè)計技術(shù)建立一種新型的、具有定向灌注能力的椎弓根螺釘模型。 2.2比較實心椎弓根螺釘與空心定向灌注椎弓根螺釘?shù)牟牧狭W(xué)性質(zhì)，優(yōu)化模型設(shè)計并制造螺釘實物。 2.3比較實心椎弓根螺釘和空心定向灌注椎弓根螺釘?shù)纳锪W(xué)特性，為椎弓根螺釘翻修提供新選擇。 2.4計算機流體力學(xué)仿真模擬定向灌注

6、，實驗驗證。 3.方法： 3.1定向灌注椎弓根螺釘?shù)脑O(shè)計和建模 使用計算機輔助設(shè)計軟件Pro/ENGINEER建模，設(shè)計空心、帶有導(dǎo)向側(cè)孔和定位標志的椎弓根螺釘及配套的定向灌注釘芯，具體步驟為：螺釘草繪、賦值、建立半截面、旋轉(zhuǎn)成胚、螺旋掃描螺紋，切割中軸孔、導(dǎo)向側(cè)孔、定位標志以及定位槽，建模完成后進行虛擬裝配和仿真運動，觀察定向是否成功以及組建是否存在相互干擾，根據(jù)結(jié)果進一步修正與完善建模。 3.2定向灌

7、注椎弓根螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)分析、制作以及材料力學(xué)研究 3.2.1計算機輔助結(jié)構(gòu)分析 建模完畢后，模型導(dǎo)入機構(gòu)/運動/結(jié)構(gòu)/熱力分析模塊Pro/MECHANISM中，將模型簡化為懸臂梁，劃分有限元網(wǎng)格，定義材料屬性、約束條件、載荷，進行結(jié)構(gòu)分析，找出應(yīng)力過分集中或運動干涉等不合理部分，調(diào)整建模，直至滿意，同時比較中空和實心椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力、應(yīng)變分布。 3.2.2螺釘制作 使用醫(yī)用鈦合金TC4制作螺釘，由佛山施泰寶外

8、科植入物有限公司制造，中空和側(cè)孔部分由廣東工業(yè)大學(xué)機電系DMU60T數(shù)控高速加工中心加工。 3.2.3材料力學(xué)實驗 3.2.3.1三點折彎實驗 10個定向灌注椎弓根螺釘(空心)和10個外形相同的實心螺釘使用858MiniBionixMTS材料試驗機進行三點折彎試驗，快速垂直加載至4000N，載荷信號由計算機采集系統(tǒng)記錄，TeststarII測試分析軟件計算。 3.2.3.2剪切實驗 10個定向灌注

9、椎弓根螺釘(空心)和10個外形相同的實心螺釘使用858MiniBionixMTS材料試驗機上進行，30N/s，快速垂直加載至4000N，載荷信號由計算機采集系統(tǒng)記錄，TststarII測試分析軟件計算。數(shù)據(jù)采用SPSS13.0統(tǒng)計軟件包，兩獨立樣本t檢驗。 3.3定向灌注椎弓根螺釘?shù)纳锪W(xué)研究 3.3.1標本選擇 6具新鮮成人尸體胸腰段椎體標本(男5具，女1具，年齡28～57歲)去除軟組織、自椎間盤處離斷，制成

10、T12～L5共36個椎體，隨機選取30個椎體進行試驗。 3.3.2分組及螺釘置入 隨機表法將30個椎體平均分成對照組(模擬普通椎弓根植入)、修復(fù)固定組(模擬椎弓根翻修術(shù))、強化固定組(模擬椎弓根強化)共3組，按“人字嵴”進釘法同一椎體兩側(cè)分別植入空心和實心螺釘。 3.3.3標本包埋固定和最大軸向拔出力試驗 使用自凝義齒基脫粉包埋已植入椎弓根螺釘?shù)淖刁w，在材料試驗機上進行最大軸向拔出力實驗，記錄最大拔出力和

11、發(fā)生最大拔出力時的線性位移。采用廣義線性模型隨機單位組設(shè)計資料方差分析進行統(tǒng)計分析。 3.4定向灌注的流體力學(xué)仿真模擬和實驗研究 Gambit建模，劃分并優(yōu)化網(wǎng)格，導(dǎo)入Fluent中求解。使用材料試驗機制作壓縮骨折模型后經(jīng)定向灌注椎弓根螺釘注入PMMA并拍X線片進行驗證。 4.結(jié)果： 4.1定向灌注椎弓根螺釘?shù)脑O(shè)計和建模 建模并調(diào)整、完善后在Pro/ENGINEER虛擬裝配，對組合模型使用Pro/

12、MECHANISM模塊檢驗運動，在規(guī)定的自由度內(nèi)零件在仿真活動中沒有出現(xiàn)平面相互干擾現(xiàn)象，特別是釘芯側(cè)孔和螺釘?shù)哪繕藗?cè)孔完全吻合，保證了單一通道的通暢性，結(jié)果顯示建模達到設(shè)計目的。 4.2定向灌注椎弓根螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)分析、制作以及材料力學(xué)研究 4.2.1計算機輔助結(jié)構(gòu)分析 最初設(shè)計的模型導(dǎo)入Pro/ENGINEER的結(jié)構(gòu)分析模塊Pro/Mechanism分析后發(fā)現(xiàn)椎弓根螺釘模型根部應(yīng)力高度集中，存在結(jié)構(gòu)上的薄弱點，檢

13、驗?zāi)Ｐ停M行模型修正與優(yōu)化后應(yīng)力集中改善；比較中空和實心螺釘?shù)膽?yīng)力分布、應(yīng)變、應(yīng)變能量、位移曲線基本一致， 4.2.2材料力學(xué)實驗 4.2.2.1三點折彎實驗 快速垂直加載至4000N，空、實心螺釘均未出現(xiàn)折斷，兩種釘應(yīng)變相同，均為0.17，實驗過程中恒定未變，應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近，0-4000N加壓過程中均未出現(xiàn)下降波。 4.2.2.2剪切實驗 以30N/s加速度加壓，在位移6mm左右、應(yīng)力達到約

14、4000N時空、實心螺釘均斷裂，二者應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎重合?？招穆葆敽蛯嵭穆葆敵惺艿钠骄畲髴?yīng)力分別為(3983.17±10.28)N和(3992.48±9.68)N，兩獨立樣本t檢驗結(jié)果，兩樣本均數(shù)統(tǒng)計學(xué)上沒有顯著差異(t=2.085，P=0.052)。 4.3定向灌注椎弓根螺釘?shù)纳锪W(xué)研究 4.3.1最大軸向拔出力實驗 空心側(cè)孔椎弓根螺釘對照組拔出力為(798.24±139.86)N，修復(fù)組為(1476.2

15、1±223.09)N，強化組為(1741.33±317.79)N；實心螺釘對照組拔出力為(904.37±212.03)N，修復(fù)組為(1828.42±239.68)N，強化組為(1783.37±250.49)N。對照組拔出力顯著低于其他兩組(P值均等于0.000)，強化固定組和修復(fù)固定組間差異無顯著性意義(P=0.330)。 4.3.2線性位移比較 空心側(cè)孔椎弓根螺釘對照組拔出力為(1.68±0.24)mm，修復(fù)組為(3.

16、16±0.70)mm，強化組為(3.13±0.62)mm；實心螺釘對照組拔出力為(1.85±0.37)mm，修復(fù)組為(3.43±0.98)mm，強化組為(3.36±0.98)mm。對照組發(fā)生最大拔出力時的線性位移LVDT顯著小于其他兩組(P值均等于0.000)，強化固定組和修復(fù)固定組間差異無顯著性意義(P=0.971)。 4.3.3 在強化組和修復(fù)組，植入空心椎弓根螺釘側(cè)的椎弓根表面無骨水泥滲漏，而實心釘植入側(cè)，骨水泥滲

17、漏較為多見。 4.4定向灌注的計算機模擬和實驗研究 計算機流體力學(xué)模擬實現(xiàn)了定向灌注并獲得靜態(tài)壓力、速度分布；實驗中定向灌注成功并獲得X線照片驗證。 5.結(jié)論： 5.1應(yīng)用Pro/ENGINEER進行參數(shù)化建模，再應(yīng)用其匹配的Pro/MECHANISM和Pro/MECHANICA模塊對模型進行動態(tài)仿真和結(jié)構(gòu)分析，從設(shè)計思路、模型構(gòu)建、動態(tài)仿真、計算機流體流體力學(xué)上都直觀而且精確地保證了設(shè)計思想中定向灌注主