有限元方法在人工頸椎復合關(guān)節(jié)系統(tǒng)研發(fā)中的應用研究.pdf

1、目前，針對頸椎退行性病變的外科治療方法多為融合性的手術(shù)方式。主要術(shù)式包括頸椎前路減壓植骨融合內(nèi)固定術(shù)和椎體次全切除聯(lián)合植骨融合內(nèi)固定術(shù)。融合性手術(shù)可以重建脊柱穩(wěn)定性，解除疼痛。但生物力學測試和臨床實踐表明，融合性手術(shù)多會導致臨近節(jié)段生物力學傳遞方式改變，并加速臨近節(jié)段退變。融合性手術(shù)的種種局限和缺點，促使了非融合術(shù)式的出現(xiàn)，最常見的就是頸椎間盤置換術(shù)（Total Disc Replacement,TDR）。各種新型的仿生人工頸椎間盤假體

2、紛紛面世。TDR可以滿足頸椎前路減壓術(shù)后行功能性重建的要求，仿生性能優(yōu)良，避免了融合帶來的種種并發(fā)癥。然而，這種單純的椎間盤系統(tǒng)并不能滿足椎體次全切術(shù)后，手術(shù)節(jié)段功能性重建的需要。因此，設計一種可以在椎體次全切除術(shù)后對手術(shù)節(jié)段進行功能性重建的假體顯得極為重要。為此,我們研究設計了人工頸椎復合關(guān)節(jié)系統(tǒng)(artificial cervical joint complex,ACJC)，并通過了初步生物力學測試，初步結(jié)果表明該假體系統(tǒng)既可以重建

3、頸椎的穩(wěn)定性，又能夠保留手術(shù)節(jié)段的活動度。本研究依據(jù)有限元方法，建立ACJC的三維模型和有限元模型，結(jié)合優(yōu)化設計方法，以實際臨床要求為目標對ACJC的設計提出修改意見，并探索有限元方法在脊柱內(nèi)固定研發(fā)中的應用價值。以期能夠運用該方法科學進行內(nèi)固定研發(fā)，縮短研發(fā)周期，提高研發(fā)效率。
　　實驗目的：1、掌握三維建模系統(tǒng)；2、掌握有限元方法的計算機操作過程；3、通過有限元方法，對ACJC進行優(yōu)化設計分析，提出修改意見。
　　實驗方

4、法：1、在三維建模軟件中建立ACJC系統(tǒng)的參數(shù)化模型，并定義植骨孔尺寸控制參數(shù)。2、用數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)入有限元分析軟件中，定義材料屬性，劃分網(wǎng)格，定義邊界條件，施加載荷。3、設置模型的優(yōu)化參數(shù)，執(zhí)行計算，分析計算結(jié)果，改進ACJC設計。
　　實驗結(jié)果：1、有限元方法可以應用于脊柱內(nèi)固定的優(yōu)化設計過程中，可以提高內(nèi)固定研發(fā)效率。2、在生理載荷下，隨著ACJC設計尺寸的改變，最大Vonmises應力逐漸增大，最大Vonmises應力,最大剪

5、切力均出現(xiàn)植骨孔的下方中心；ACJC系統(tǒng)的總體形變，在生理載荷下，并未隨著植骨孔的尺寸增加而出現(xiàn)大的變化；ACJC系統(tǒng)下方的支反力隨著植骨孔尺寸的增加，逐漸減?。籄CJC系統(tǒng)最大Vonmises應力、最大剪切力的安全因數(shù)隨著尺寸的改變，呈拋物線形改變，最小安全因數(shù)出現(xiàn)在上方椎間盤裝置與上方超高分子量聚乙烯襯墊接觸部分。綜合考慮該實驗結(jié)果，當植骨孔尺寸參數(shù)3mm時，剪切力的最小安全因數(shù)達到最大值5.52，此時Vonmises應力的最小安全