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新型机翼状记忆合金装置治疗腰椎峡部裂的有限元分析

王健  
【摘要】:背景 腰椎峡部裂是骨科常见疾病,发病率在4-6%之间,多见于青少年,在某些特殊人群当中,比如运动员则高达31%。早期疼痛、腰部活动障碍,后伸时较为明显,经镇痛、理疗等保守治疗效果不佳,可逐渐恶化导致腰椎滑脱,出现腰骶部疼痛、坐骨神经受累、间歇性跛行等症状。在临床处理中,减压、椎间融合和峡部植骨修复是外科治疗的基本原则。以往创用了多种节段内固定方法:如Buck螺钉、Nicol(?)冈丝捆绑、Hefti钩螺钉固定等。目前主张采用节段内固定加植骨修复峡部裂,这些方法的应用在一定程度上提高了峡部裂植骨融合率,但也带来了诸多并发症,尤其是对固定区域产生应力遮挡,显著增高邻近节段的应力,从而加速固定区域及邻近节段椎间盘的退变。 因此,有必要研制一种操作简单、疗效可靠且并发症少的新型内固定器。在医用金属材料选择上,镍钛合金具有良好的组织相容性、耐腐蚀性、耐疲劳性,关键是镍钛合金独特的记忆效应可产生强大的回复力,对骨折端能够进行持续有效地动态加压,在弹性固定的基础上,促进骨折的愈合。我们科室自1998年就开始采用镍钛形态记忆合金系生物功能材料进行内固定器的研究,设计双侧“C”形卡环状节段记忆合金内固定器,并在此基础上进行改良,相继研制出整体型翼状记忆合金内固定器、新型机翼状记忆合金节段内固定器。 外科内固定器的研制设计工作要求严格,在投入临床应用之前必须进行大量的生物力学检测,传统方法缺陷较多,最常见的是尸体模型缺乏力学变化,实验费用高,尸源取材困难和不可重复,关键是无法准确地反映出各种不同工况下的模型内部的生物力学特性。因此在实验领域的应用受限,也在一定程度上阻碍了外科内固定器的研发进程。随着医学图像捕捉和可视化技术的飞速发展,计算机硬件的升级和医疗检查器械的精密化,有限元建模方法成为脊柱生物力学分析研究中不可或缺的重要组成部分。有限元的基本原理是由无限个质点构成并且有有限个自由度的连续体划分成有限个小单元体所组成的集合体。单元之间以节点相连,相互作用力通过节点传递。有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。有限元引入到生物力学领域后,经过近40年的不断发展,由二维扩展至三维,由线性模型扩展至非线性模型。 利用计算机模拟建立腰椎损伤后的内固定模型,将腰椎和内固定器分别划分成单元和节点,施加边界条件,可在不同工况下模拟脊柱生理活动,通过节点位移和节点力之间的关系式计算出每个单元的刚度矩阵,并通过数学公式求近似解,直接记录不同材料、结构的内固定载荷分布,并且反映出内固定和椎体间相互影响。值得肯定的是,在复杂构件上利用有限元进行应力、应变分析,可大大提高效率,从而为内固定装置的设计应用提供支持。 本研究是在总结以往研究的基础上,对腰椎有限元模型的有效构建方法进行了长时间的探索,然后构建出了解剖结构比较精细的正常L1-S的有限元模型,分别在模型中模拟L4节段双侧峡部断裂及其不同弹性内固定重建术式,以期为腰椎峡部裂后路弹性内固定技术的临床应用提供实验基础和理论依据,评价其应用前景。 目的 1.依据1名正常男性志愿者仰卧位下64排螺旋CT扫描的腰骶椎影像学资料,探讨利用Mimics10.0、Geomagic studio12.0、HyperMesh10.0和Abaqus10.1等软件构建出解剖结构精细的正常腰骶椎(L1-S)三维有限元模型的方法,并对其进行有效性验证,使其能反映正常腰骶椎(L1-S)的生物力学特性。 2.根据所建立的正常腰骶椎(L1-S)的三维有限元模型,建立腰椎L4节段双侧峡部断裂模型和腰4双侧峡部后ASMAF和NASMAF两种不同内固定技术重建模型。施加相同的载荷和扭矩,比较各种运动状态下邻近节段压力变化,同时分析两种不同技术的内固定应力分布特点。 方法 1.选取一名27岁正常男性,身高177cm,体质量72kg,采用0.625mm薄层CT扫描,利用Mimics10.1、Geomagic studio10.0软件经过图片的筛选,预处理,提取边界的坐标生成表面三维图像和三维实体模型,再将此实体模型通过HyperMesh10.0软件进行网格化,最后导入Abaqus10.1软件构建立正常人腰骶椎(L1-S)三维有限元模型。边界设定后,对模型施加500N预载荷及7.5Nm纯力矩,使模型模拟产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动状态,计算各种工况下的椎间活动度,与White、Yamamoto等的尸体标本生物力学实验结果进行比较,以验证模型的有效性。 2.在正常人腰骶椎(L1-S)三维有限元模型基础上,模拟L4双侧峡部断裂手术,建立腰4峡部裂手术模型。利用交互式计算机辅助设计系统软件Unigraphics NX6.0的建模功能,绘制翼状记忆合金内固定和新型机翼状记忆合金内固定三维图形。将记忆合金内固定模型导入HyperMesh10.0,参照后路不同后路固定技术(ASMAF、NASMAF)的手术固定方式,对内固定系统的各部分进行可视化调整,完成空间位置装配。导入Abaqus10.1软件建立下腰4椎体峡部断裂后重建手术的三维模型。对模型施加500N预载荷及7.5Nm力矩,使其模拟产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动状态,分别记录各种模型的椎间压力、模型内固定的应力分布特点及内固定的应力峰值。 结果 1.建立了正常腰骶椎(L1-S)三维有限元模型,包括总节点数为31,431个,总单元数为161,404个。模拟加载的作用下,对模型进行前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转作用下的各椎间活动度进行测定,并与其他作者实测法所得的各椎间活动度进行比较,结果表明本模型在不同工况下的各椎间活动度,与White、Yamamoto等作者实验实测法所得的结果是吻合的。因此,可以认为本模型是有效的,可以进一步用于临床和实验研究。 2.在各加载模式下,ASMAF内固定技术重建后椎间压力未明显改变,NASMAF内固定技术重建后椎间压力明显减少,具有良好的即刻防止邻近节段退变的能力。内固定应力云图显示,ASMAF技术、NASMAF技术内固定的、on Mises应力分布特点存在明显差异。本研究应力峰值结果显示,在各种工况下,NASMAF技术组应力峰值(100MPa)较ASMAF技术组高(100MPa)。 结论 1.本实验建立了正常腰骶椎(L1-S)三维有限元模型,包括L1-S腰椎椎体皮质骨和松质骨、腰椎间盘中的纤维环和髓核、上下终板、双侧关节突关节、椎弓根、椎板、横突、棘突、主要韧带(前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带和关节囊韧带)。该三维有限元模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转各种工况下的腰椎椎间活动范围与国外相关文献资料一致,可进行下一步的生物力学实验研究。 2.峡部断裂后新型记忆合金内固定技术重建的固定节段椎间压力显著下降,较以往研制的内固定优势明显。ASMAF应力集中于钩子弯折处,NASMAF应力集中于侧翼,尤其是侧翼和底座的接合部分。新型内固定在患椎下位椎体后部结构有明显的应力传递,减轻了相应椎间盘的应力负荷。相比ASMAF技术组,NASMAF技术组内固定系统侧翼部承受着102MPa级应力,仍有相对较高的断裂风险,而相对较高的工艺和材料符合力学要求。 主要创新点 1.建立了几何相似度较高的腰骶椎(L1-S)全节段有限元模型。相比国内经常采用的腰椎单节段模型,具有采集全域性信息的能力,可以在整体腰骶椎的运动变化中,更准确地分析腰椎损伤影响机制,并且,可以较为客观的评价内固定器的手术效果。在模型质量上,网格划分更加细密,节点分布更加均匀,本课题建立的腰骶椎有限元模型包括总节点数为31,431个,总单元数为161,404个。 2.镍钛合金价格高昂,制作工艺不够成熟,发展缓慢,加上国内生成记忆合金的医疗器械公司相对较少,因而,要求我们在记忆合金内固定装置的设计尽量完善可行。本课题于实体样本产出前,首先在2D平面设计图基础上进行三维立体绘制,然后直接植入腰椎有限元模型,检测验证固定器的尺寸、结构以及受力特点,避免样本重复返工,为合作的医疗企业减轻不必要的经费开支和工作负担。 3.率先在国内运用有限元方法建立了腰骶椎(L1~S)单节段峡部断裂模型,首次建立腰4峡部断裂后两种记忆合金内固定技术的重建模型。利用模型分析重建后各运动节段的即时椎间压力、内固定的应力分布特点和应力峰值。本研究表明:1.双侧峡部断裂后新型记忆合金内固定技术重建的固定节段椎间压力显著下降;2.相比ASMAF技术,NASMAF技术应采用高屈服强度的内固定系统或者术后延长腰围保护时间,以减低其断裂的风险。


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