新型機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，在某些特殊人群當中，比如運動員則高達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是外科治療的基本原則。以往創(chuàng)用了多種節(jié)段內固定方法: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、段內固定加植骨修復峽部裂，這些方法的應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)生應力遮擋，顯著增高鄰近節(jié)段的應力，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，關鍵是鎳鈦合金獨特的記憶效應可產(chǎn)生強大的回復力，對骨折端能夠進行持續(xù)有效地動態(tài)加壓，在彈性固定的

3、基礎上，促進骨折的愈合。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行內固定器的研究，設計雙側“C”形卡環(huán)狀節(jié)段記憶合金內固定器，并在此基礎上進行改良，相繼研制出整體型翼狀記憶合金內固定器、新型機翼狀記憶合金節(jié)段內固定器。
　　 外科內固定器的研制設計工作要求嚴格，在投入臨床應用之前必須進行大量的生物力學檢測，傳統(tǒng)方法缺陷較多，最常見的是尸體模型缺乏力學變化，實驗費用高，尸源取材困難和不可重復，關鍵是無法準確地

4、反映出各種不同工況下的模型內部的生物力學特性。因此在實驗領域的應用受限，也在一定程度上阻礙了外科內固定器的研發(fā)進程。隨著醫(yī)學圖像捕捉和可視化技術的飛速發(fā)展，計算機硬件的升級和醫(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點構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)點相連，相互作用力通過節(jié)點傳遞。有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜

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領域后，經(jīng)過近40年的不斷發(fā)展，由二維擴展至三維，由線性模型擴展至非線性模型。
　　 利用計算機模擬建立腰椎損傷后的內固定模型，將腰椎和內固定器分別劃分成單元和節(jié)點，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)點位移和節(jié)點力之間的關系式計算出每個單元的剛度矩陣，并通過數(shù)學公式求近似解，直接記錄不同材料、結構的內固定載荷分布，并且反映出內固定和椎體間相互影響。值得肯

6、定的是，在復雜構件上利用有限元進行應力、應變分析，可大大提高效率，從而為內固定裝置的設計應用提供支持。
　　 本研究是在總結以往研究的基礎上，對腰椎有限元模型的有效構建方法進行了長時間的探索，然后構建出了解剖結構比較精細的正常 L1～S的有限元模型，分別在模型中模擬 L4節(jié)段雙側峽部斷裂及其不同彈性內固定重建術式，以期為腰椎峽部裂后路彈性內固定技術的臨床應用提供實驗基礎和理論依據(jù)，評價其應用前景。
　　 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資料，探討利用Mimics10.0、Geomagic studio 12.0、HyperMesh 10.0和Abaqus 10.1等軟件構建出解剖結構精細的正常腰骶椎(L1～S)三維有限元模型的方法，并對其進行有效性驗證，使其能反映正常腰骶椎(L1～S)的生物力學特性。
　　 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)段雙側峽部斷

8、裂模型和腰4雙側峽部后ASMAF和NASMAF兩種不同內固定技術重建模型。施加相同的載荷和扭矩，比較各種運動狀態(tài)下鄰近節(jié)段壓力變化，同時分析兩種不同技術的內固定應力分布特點。
　　 方法:
　　 1.選取一名27歲正常男性，身高177 cm，體質量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，預處理，提取邊界的坐標生成表面三維圖像和三維實

9、體模型，再將此實體模型通過HyperMesh10.0軟件進行網(wǎng)格化，最后導入Abaqus10.1軟件構建立正常人腰骶椎(L1～S)三維有限元模型。邊界設定后，對模型施加500N預載荷及7.5Nm純力矩，使模型模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側屈和左右旋轉運動狀態(tài)，計算各種工況下的椎間活動度，與White、Yamamoto等的尸體標本生物力學實驗結果進行比較，以驗證模型的有效性。
　　 2.在正常人腰骶椎(L1～S)三維有限元模型基礎上，

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

11、模型施加500 N預載荷及7.5Nm力矩，使其模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側屈和左右旋轉運動狀態(tài)，分別記錄各種模型的椎間壓力、模型內固定的應力分布特點及內固定的應力峰值。
　　 結果:
　　 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，對模型進行前屈、后伸、左右側屈和左右旋轉作用下的各椎間活動度進行測定，并與其他作者實測法所得的各椎間活動度進行比

12、較，結果表明本模型在不同工況下的各椎間活動度，與White、Yamamoto等作者實驗實測法所得的結果是吻合的。因此，可以認為本模型是有效的，可以進一步用于臨床和實驗研究。
　　 2.在各加載模式下， ASMAF內固定技術重建后椎間壓力未明顯改變，NASMAF內固定技術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。內固定應力云圖顯示，ASMAF技術、NASMAF技術內固定的 VonMises應力分布特點存在明顯差

13、異。本研究應力峰值結果顯示，在各種工況下，NASMAF技術組應力峰值(＞100 MPa)較 ASMAF技術組高＜100 MPa)。
　　 結論:
　　 1.本實驗建立了正常腰骶椎(L1～S)三維有限元模型，包括L1～S腰椎椎體皮質骨和松質骨、腰椎間盤中的纖維環(huán)和髓核、上下終板、雙側關節(jié)突關節(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、棘上韌帶和關節(jié)囊韌帶)。該三維有限元模型在前

14、屈、后伸、左右側屈、左右旋轉各種工況下的腰椎椎間活動范圍與國外相關文獻資料一致，可進行下一步的生物力學實驗研究。
　　 2.峽部斷裂后新型記憶合金內固定技術重建的固定節(jié)段椎間壓力顯著下降，較以往研制的內固定優(yōu)勢明顯。ASMAF應力集中于鉤子彎折處，NASMAF應力集中于側翼，尤其是側翼和底座的接合部分。新型內固定在患椎下位椎體后部結構有明顯的應力傳遞，減輕了相應椎間盤的應力負荷。相比 ASMAF技術組，NASMAF技術組內固定系

15、統(tǒng)側翼部承受著102MPa級應力，仍有相對較高的斷裂風險，而相對較高的工藝和材料符合力學要求。
　　 主要創(chuàng)新點:
　　 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動變化中，更準確地分析腰椎損傷影響機制，并且，可以較為客觀的評價內固定器的手術效果。在模型質量上，網(wǎng)格劃分更加細密，節(jié)點分布更加均勻，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固定裝置的設計盡量完善可行。本課題于實體樣本產(chǎn)出前，首先在2D平面設計圖基礎上進行三維立體繪制，然后直接植入腰椎有限元模型，檢測驗證固定器的尺寸、結構以及受力特點，避免樣本重復返工，為合作的醫(yī)療企業(yè)減輕不必要的經(jīng)費開支和工作負擔。