腰椎彈性內(nèi)固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與力學(xué)研究.pdf

1、研究背景和目的：
　　 腰椎融合術(shù)是處理腰椎間盤源性痛、節(jié)段性不穩(wěn)、滑脫等疾患的主要手段,雖然內(nèi)固定的應(yīng)用使融合率和臨床結(jié)果有很大改善,但與此相關(guān)的問題仍然不少。目
　　 因此,脊柱動態(tài)性內(nèi)固定(半堅(jiān)強(qiáng)固定、柔性固定、彈性固定,PDS:posteriordynamicstabilization)的概念被提出并逐漸在國際上得到承認(rèn)。
　　 由于具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性,鎳鈦合金目前被廣泛的應(yīng)用于牙齒矯正、血管

2、支架、骨科矯形釘?shù)?。其?dú)特的形狀記憶效應(yīng)能夠在特定的溫度下維持一種形狀,當(dāng)溫度下降到特定的臨界溫度后,其可以變得可以任意塑形,當(dāng)溫度再次加熱到超過臨界溫度后,其可以自然回復(fù)原狀；同時(shí),它的另外一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢是具有良好的超彈性,在一定的形變范圍內(nèi),可以維持恒定的彈性。鎳鈦合金具有良好的耐疲勞、抗腐蝕性能,組織相容性很好,對人體毒性小,是一種十分理想的生物功能材料。
　　 基于以上理論和在前期記憶合金研究的基礎(chǔ)上,本研究擬將自行研制

3、的鎳鈦記憶合金棒與鈦合金椎弓根釘相結(jié)合組成生物彈性內(nèi)固定系統(tǒng),本系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):1內(nèi)固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循腰椎的解剖與生物力學(xué)特點(diǎn),充分運(yùn)用記憶合金棒本身和"U"型結(jié)構(gòu)體現(xiàn)的彈性,在材料特性和力學(xué)性能上具有優(yōu)越性,具有一定的彈性變形能力,不僅起到堅(jiān)強(qiáng)固定,而且有彈性固定作用,能避免單純剛性固定的一系列缺陷,2內(nèi)固定系統(tǒng)結(jié)合椎弓根釘技術(shù),完成脊柱三維固定,內(nèi)固定牢靠；3內(nèi)固定系統(tǒng)在臨床操作上極為簡單方便,同時(shí)具有十分大眾化的價(jià)格優(yōu)勢,系統(tǒng)在

4、國內(nèi)外文獻(xiàn)未見類似設(shè)計(jì)報(bào)道,具有一定的先進(jìn)性和創(chuàng)新性。
　　 腰椎退行性疾病是脊柱外科的常見、多發(fā)病。隨著步入老年社會,患病群體在逐年擴(kuò)大。鎳鈦合金腰椎椎弓根彈性內(nèi)固定作為一種新型的彈性內(nèi)固定系統(tǒng)具有良好的疾病人群,該項(xiàng)裝置兼顧腰椎的穩(wěn)定性和活動性,無需植骨融合。此外,該金屬由無毒元素構(gòu)成,生物相容性好,無需再次手術(shù)取出,具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)產(chǎn)品在價(jià)格上也會具有一定的優(yōu)勢。產(chǎn)品兼顧簡易、安全、耐用、便宜的優(yōu)點(diǎn)使患者更易于接受。

5、上述優(yōu)點(diǎn)將使該系統(tǒng)具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。
　　 本研究共分為四部分:
　　 第一部分腰椎彈性內(nèi)固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的:傳統(tǒng)觀念認(rèn)為,脊柱融合術(shù)是下腰痛和腰椎不穩(wěn)的主要治療方法,隨著生物學(xué)技術(shù)(包括骨形態(tài)發(fā)生蛋白和椎弓根螺釘固定技術(shù)等)的出現(xiàn),融合率可以達(dá)到90-100％。然而,雖然目前融合率不斷的提高,但臨床療效卻沒有相應(yīng)改善。同時(shí),目前有證據(jù)發(fā)現(xiàn)融合會加重臨近節(jié)段的生物力學(xué)負(fù)荷,導(dǎo)致一部分行融合術(shù)后的病例發(fā)生臨近節(jié)段的病

6、變。這些問題的發(fā)生使科研人員尋找穩(wěn)定腰椎的新方法。其中一種方法就是動態(tài)內(nèi)固定,或者軟固定。隨著NiTi記憶合金材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和不斷拓展,其獨(dú)特的超彈性性能及較好的形狀記憶的特點(diǎn)使其在脊柱外科中的應(yīng)用取得了較好的效果,如脊柱畸形矯正及腰椎峽部裂節(jié)段內(nèi)固定等,本研究擬根據(jù)脊柱動態(tài)內(nèi)固定的理論,利用鎳鈦合金的超彈性設(shè)計(jì)一種記憶合金棒與鈦合金椎弓根釘相結(jié)合組成生物彈性內(nèi)固定系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠維持脊柱固定節(jié)段較好的彈性性能,能避免單純剛性

7、固定的臨近節(jié)段退變等一系列缺陷,提高臨床治療效果。
　　 設(shè)計(jì)理念:該內(nèi)固定器由兩組組件組成,每一組組件包括一連接腰椎相鄰兩節(jié)段的構(gòu)件和將該構(gòu)件兩頭固定于腰椎弓上的自攻螺釘,構(gòu)件為棒狀,其中部彎曲構(gòu)成一個(gè)或兩個(gè)U形的彎部。內(nèi)固定器遵循椎體的解剖與其在整個(gè)脊柱中的力學(xué)特點(diǎn),采用釘棒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想,時(shí)將棒狀構(gòu)件的中部彎曲成U形的彎部,從而大大改善了棒狀構(gòu)件效果,使整個(gè)內(nèi)固定器在三維空間內(nèi)都具有良好的彈性效果。
　　 結(jié)果和結(jié)

8、論:
　　 我們利用NiTi記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性特征,根據(jù)腰椎退變性疾病病理生理狀況和腰椎椎弓根內(nèi)固定思路,我們能夠設(shè)計(jì)出較為滿意的“U”型彈性內(nèi)固定系統(tǒng),設(shè)計(jì)思路符合腰椎彈性內(nèi)固定理念,預(yù)計(jì)可有效避免目前傳統(tǒng)的內(nèi)固定系統(tǒng)的缺點(diǎn)。
　　 第二部分NiTi合金“U”型彈性內(nèi)固定系統(tǒng)有限元模型的建立及力學(xué)分析目的:在NiTi合金“U”型彈性內(nèi)固定器二維平面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維模型建立,并對其進(jìn)行有限

9、元力學(xué)分析,進(jìn)而評價(jià)初始設(shè)計(jì)的合理性,提高NiTi合金腰椎“U”型彈性內(nèi)固定器的設(shè)精度,簡化和節(jié)約制作成本。
　　 方法腰椎“U”形彈性內(nèi)固定系統(tǒng)的連接棒中段設(shè)計(jì)為“U”形,采用的材料為上海鋼鐵研究所醫(yī)用鎳鈦記憶合金,鎳含量為50.8at％-51.8at％,余為鈦,彈性模量(馬氏體態(tài))達(dá)到71400MPa,并委托中科院金屬研究所加工制作；椎弓根螺釘為鈦合金材料,整個(gè)螺釘設(shè)計(jì)為向下的錐型,相對螺釘?shù)母鶑綇倪h(yuǎn)端至近端逐漸增粗,螺紋寬

10、度一致,螺紋深度從釘尖向上逐漸變淺。選擇一名成年男性志愿者,以腰4,5節(jié)段為研究對象,采用螺旋CT對其進(jìn)行層厚1.0mm的連續(xù)水平掃描,借助Mimics11.11軟件,建立L4,5節(jié)段三維非線性有限元模型。同時(shí)根據(jù)椎弓根螺釘、連接棒的幾何尺寸及力學(xué)參數(shù)分別添加螺釘和連接棒模型,建立腰椎“U”形彈性內(nèi)固定的三維有限元模型,分別施加垂直壓縮、前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)等各種生理載荷,對不同載荷下模型各部分的應(yīng)力進(jìn)行觀察和分析。
　　 結(jié)

11、果借助Mimics11.11軟件,我們成功的建立了腰椎“U”型彈性內(nèi)固定系統(tǒng)的三維有限元模型,對模型施加生理載荷后,彈性內(nèi)固定系統(tǒng)各部分于垂直壓縮時(shí)所受應(yīng)力小于其它狀態(tài)(主效應(yīng):FPart=397.771,PPart=0.000；FMovement=158.471,PMovemet=0.000；交互效應(yīng):FPart×Movement=52.147,PPart×Movement=0.000。)；不同載荷下應(yīng)力主要分布在“U”形彈性棒上,螺

12、釘各部受力較為均勻。
　　 結(jié)論腰椎“U”形彈性內(nèi)固定器設(shè)計(jì)獨(dú)特,能減少術(shù)后應(yīng)力遮擋及椎弓根螺釘應(yīng)力集中,有望成為腰椎內(nèi)固定較好的一種裝置。
　　 第三部分腰椎彈性內(nèi)固定系統(tǒng)與剛性內(nèi)固定的應(yīng)力比較研究目的:通過有限元的方法比較自行研制的腰椎“U”型彈性內(nèi)固定器與傳統(tǒng)的剛性內(nèi)固定器之間的應(yīng)力分布差異。
　　 方法選擇一名成年患者腰椎標(biāo)本,以L4/5節(jié)段為研究對象,采用64排螺旋CT對其進(jìn)行層厚1.0mm的連續(xù)水平掃

13、描,將所得圖像進(jìn)行輪廓提取和閾值分割后,借助三維重建軟件Mimics11.1、Simpleware和有限元軟件Abaqus6.51軟件,建立L4,5節(jié)段三維非線性有限元模型。同時(shí)根據(jù)椎弓根螺釘、連接棒的幾何尺寸,力學(xué)參數(shù),分別建立兩種不同內(nèi)固定器的有限元模型。然后分別施加壓縮、前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)等各種生理載荷,觀察各模型不同載荷下螺釘、連接棒的應(yīng)力分布。
　　 結(jié)果兩種內(nèi)固定器的應(yīng)力差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(主效應(yīng):F分組=179.

14、238,P分組=0.000；FPart=1064.772,PPart=0.000。交互效應(yīng):F分組×Part=68.934,P分組×Part=0.000。),剛性固定的椎弓根螺釘與棒連接處是應(yīng)力集中的部位,該部位的應(yīng)力遠(yuǎn)大于彈性固定器,而彈性內(nèi)固定應(yīng)力“U”型連接棒最大,兩模型固定節(jié)段螺釘及棒的最大有效應(yīng)力均出現(xiàn)于前屈時(shí)。
　　 結(jié)論在加載相同的縱向載荷條件下,剛性內(nèi)固定器應(yīng)力主要集中在螺釘與棒交界處,容易易發(fā)生螺釘斷裂,“U”

15、型彈性內(nèi)固定器的應(yīng)力均勻分布在“U”型連接棒上,可以減少斷釘?shù)默F(xiàn)象發(fā)生。
　　 第四部分腰椎彈性內(nèi)固定棒的有限元研究目的:我們自行研制了“U”型鎳鈦記憶合金棒與鈦合金椎弓根釘相結(jié)合組成生物彈性內(nèi)固定系統(tǒng),擬通過有限元的方法進(jìn)一步評價(jià)“U”型鎳鈦記憶合金棒的力學(xué)特點(diǎn)。
　　 方法:電腦硬件配置:P43.0GHz雙核超線程CPU,4GDDR800內(nèi)存,6800GT雙128MPCIE圖形加速卡。
　　 建模方法:對“U

16、”型記憶合金棒進(jìn)行螺旋CT掃描,層距1mm,由螺旋CT機(jī)USB接口直接提取圖像,保存為BMP灰度圖。利用Matlab6.0提取圖片中輪廓線數(shù)據(jù)矩陣,轉(zhuǎn)換為dat文檔后輸入ANSYS8.0建模。賦予單元材料特性(“U”型記憶合金棒彈性模量E=71400MPa,泊松比μ=0.33)。然后利用ANSYS8.0軟件自適應(yīng)劃分網(wǎng)格,根據(jù)分析問題的具體需要,預(yù)估計(jì)應(yīng)力/應(yīng)變變化大的區(qū)域或需仔細(xì)了解的區(qū)域,網(wǎng)格劃分較其他區(qū)域細(xì)致,預(yù)估計(jì)應(yīng)力/應(yīng)變變化

17、小的區(qū)域或不作要求的區(qū)域,網(wǎng)格劃分較其他區(qū)域粗糙。實(shí)驗(yàn)中“U”型記憶合金棒的三維有限元模型共劃分了8456個(gè)單元,65246個(gè)結(jié)點(diǎn)。模型分別施加壓縮、前屈及拉伸等各種生理載荷,觀察各模型不同載荷下彈性內(nèi)固定器的應(yīng)力分布,并與傳統(tǒng)的鈦合金內(nèi)固定棒進(jìn)行比較。
　　 結(jié)果:成功建立了“U”型彈性內(nèi)固定棒的有限元模型,可以預(yù)測內(nèi)固定棒在變形過程中其本身結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)、單元的受力、位移情況。在垂直壓縮、前屈和后伸狀態(tài)下內(nèi)固定棒應(yīng)力分布合理,