機(jī)器人輔助頸椎間盤置換術(shù)生物力學(xué)特性與終板切削研究.pdf

1、相比較傳統(tǒng)的前路減壓植骨融合術(shù),人工頸椎間盤置換術(shù)在治療頸椎間盤退化等頸椎病方面優(yōu)勢(shì)明顯。但該術(shù)式并未得到廣泛推廣,這主要是由于目前的手術(shù)方法對(duì)醫(yī)生的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求較高,而手術(shù)完成的效果對(duì)病人術(shù)后頸椎節(jié)段活動(dòng)度的維持、置入間盤長期有效的發(fā)揮作用具有重要影響。課題結(jié)合國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“機(jī)器人輔助人工頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)研究”,運(yùn)用有限元方法對(duì)頸椎生物力學(xué)特性進(jìn)行研究,可以為醫(yī)生提供直觀、豐富的頸椎生物力學(xué)信息,降低手術(shù)對(duì)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的依賴

2、;對(duì)頸椎骨終板切削時(shí)的力學(xué)和溫度特性進(jìn)行研究,可以為提高機(jī)器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)在面向臨床使用時(shí)的可操作性和準(zhǔn)確性提供指導(dǎo)。
　　本文在分析人體頸椎解剖結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性的基礎(chǔ)上,通過頸椎CT數(shù)據(jù)三維模型重建、三角面片模型光滑處理、模型輪廓線探測(cè)及子區(qū)域劃分、曲面片和格柵構(gòu)建及曲面擬合,得到人體頸椎C5-C6節(jié)段精確的椎骨模型,并采用Gilad測(cè)量方法對(duì)重建效果進(jìn)行評(píng)估。建立包含頸椎骨、韌帶和椎間盤的頸椎有限元模型,研究對(duì)頸椎

3、運(yùn)動(dòng)起限位作用的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)接觸問題,并采用負(fù)載-位移曲線方法對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。為了進(jìn)行頸椎生物力學(xué)的對(duì)比研究,在所建立的頸椎有限元模型基礎(chǔ)上參考融合術(shù)和間盤置換術(shù)對(duì)模型進(jìn)行修正,對(duì)正常組、融合組和置換組施加相同的約束和載荷,觀察頸椎活動(dòng)度、韌帶內(nèi)力、椎體內(nèi)應(yīng)力、椎間盤內(nèi)應(yīng)力。
　　對(duì)頸椎終板切削的物理過程進(jìn)行模型簡(jiǎn)化,利用平面正交切削模型模擬頸椎骨終板切削,采用ALE算法解決切削有限元仿真中的大變形模擬問題。根據(jù)人體頸椎終板結(jié)

4、構(gòu)與生化成分及其力學(xué)特性,采用Johnson-Cook材料本構(gòu)模型模擬頸椎骨終板特性,以自動(dòng)單面接觸的形式定義終板-刀具接觸摩擦,以有效應(yīng)變作為切屑分離準(zhǔn)則。設(shè)定切削參數(shù)進(jìn)行有限元仿真,獲得頸椎終板平面正交切削時(shí)的內(nèi)應(yīng)力分布、切削力大小、表面殘余應(yīng)力及塑性應(yīng)變和切削溫度的仿真結(jié)果,以及切削力和切削溫度隨切削速度的變化情況。
　　以動(dòng)物脊骨標(biāo)本為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,使用已開發(fā)的基于并聯(lián)機(jī)器人的手術(shù)平臺(tái)、滾珠絲桿導(dǎo)軌和六維力/力矩傳感器等設(shè)備進(jìn)