退變性腰椎滑脫鎳鈦合金非融合固定的生物力學(xué)研究.pdf

1、目的：現(xiàn)今腰椎非融合技術(shù)已在退行性腰椎間盤疾病(Degenerative Disc Disease,DDD)、腰椎管狹窄等疾病中得到臨床應(yīng)用,短期效果滿意,而對于DLS尚未有較為理想的固定系統(tǒng)。本課題利用計算生物力學(xué)方法,建立DLS數(shù)字模型并進行仿真計算分析,通過各種模擬加載條件下腰椎自身的生物力學(xué)改變及輔以傳統(tǒng)融合術(shù)或鎳鈦合金非融合固定系統(tǒng)的力學(xué)模擬,為鎳鈦形狀記憶合金在DLS中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ),同時通過實測生物力學(xué)的方法進行驗證,

2、初步探討鎳鈦合金非融合固定后腰椎的力學(xué)變化特點,為進一步深入研究打下基礎(chǔ)。 方法： 1.腰椎滑脫數(shù)字模型的構(gòu)建過程及模型的有限元分析 1.1選擇臨床上L4-5椎體退變性滑脫(Meyerding Ⅰ級)的病例進行三維CT掃描(以1mm層厚掃描,1mm重建,東芝公司16排螺旋CT),得到L3～S1椎體節(jié)段DICOM格式的橫切層圖像。將文件導(dǎo)入Simpleware 2.1三維建模軟件,通過置信區(qū)間(Confidence

3、 connected region growing)操作快速給序列圖像賦上Mask,然后通過填充操作(FloodFill)修補孔洞,反復(fù)操作,利用軟件結(jié)合人工手動描記邊界,以不同顏色標記不同椎節(jié)及椎間盤。通過CT灰度值結(jié)合人工分離皮質(zhì)骨松質(zhì)骨。通過高斯濾波(Recuresive Gaussian filter)和形態(tài)濾波(Morphological filters)來光滑模型表面,得到L3-S1形態(tài)學(xué)模型。 1.2將Simple

4、ware軟件建立的腰椎模型導(dǎo)入Ansys10.0軟件,自動劃分單元網(wǎng)格,對網(wǎng)格劃分數(shù)量進行反復(fù)實驗。根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)建立椎間盤及周圍韌帶模型,其中椎間盤部分分別建立纖維環(huán)、髓核、終板不同組分模型,前縱、后縱、棘上棘間韌帶由LINK10索單元模擬?？傃b后建立L3-S1椎體有限元模型。 1.3通過ANSYS10.0對模型施加邊界約束,設(shè)定加載條件。固定S1椎體,模擬5種載荷加載方式,即5種工況,軸壓,前屈,后伸,側(cè)彎,旋轉(zhuǎn),加載力為12

5、00N,旋轉(zhuǎn)時加載為600N軸向壓縮載荷和10Nm的扭矩。通過ANSYS圖形化輸出可以形象的觀察出L3-S1椎體間的應(yīng)力分布情況。手動選擇L3-S1椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)接觸位置節(jié)點,ANSYS中讀取具體應(yīng)力數(shù)據(jù),統(tǒng)計學(xué)計算。 1.4通過L3-L4椎體平均剛度計算,與文獻報道及下文力學(xué)實驗所得的椎體平均剛度進行比較,以進行有限元模型的驗證。 2.鎳鈦形狀記憶合金的設(shè)計及數(shù)字模擬計算分析 2.1 結(jié)合臨床測量的正常成人

6、腰椎矢狀面曲線,在蘭州西脈記憶合金有限公司的幫助下,設(shè)計并制作出符合要求的鎳鈦合金固定棒。通過有限元方法對鎳鈦合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行模擬,分別加載200N、400N、800N、1200N,與相同情況下的醫(yī)用鈦合金進行對比分析。 2.2 利用逆向工程的方法,將已在臨床廣泛應(yīng)用的鈦合金椎弓根螺釘(Monarch,Dcpuy公司)逆向建立數(shù)字模型,導(dǎo)入先前已建立的腰椎滑脫有限元模型,再將利用CAD繪制的鈦合金及Ni-Ti合金棒導(dǎo)

7、入模型,分別建立腰椎滑脫L3-5內(nèi)固定融合及Ni-Ti合金非融合固定的有限元模型。 2.3 給予兩組數(shù)字模型7種工況加載,包括軸向加壓、屈伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn),加載力大小1200N,旋轉(zhuǎn)時扭矩10N·m,分析不同工況下兩組模型在固定遠端鄰近椎體的椎間盤及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力大小變化。 3.腰椎形狀記憶合金非融合固定的實驗力學(xué)分析 3.1 夾具設(shè)計制作：夾具的設(shè)計使其能滿足不同加載條件,并且能重復(fù)使用；上夾頭模塊的設(shè)計能確保

8、不同標本在同一種工況下加載的一致性。 3.2 標本取材、保存、處理,應(yīng)變片貼合：5具新鮮尸體標本取自第二軍醫(yī)大學(xué)解剖教研室及第二軍醫(yī)大學(xué)附屬第二醫(yī)院器官移植。實驗前室溫解凍6～8小時,徹底剔除L3～S1兩側(cè)骶棘肌,保留前縱、棘上、棘間韌帶,顯露出L3下關(guān)節(jié)突、L4上下關(guān)節(jié)突、L5上下關(guān)節(jié)突、S1關(guān)節(jié)突,在關(guān)節(jié)突上定出貼應(yīng)變片的位置,丙酮反復(fù)脫脂,無明顯油脂滲出,以2×1mm的微細應(yīng)變片貼合。 3.3 力學(xué)測試：標本以自凝

9、牙托粉固定于夾具,置入MTX 809試驗機。應(yīng)變片引出導(dǎo)絲,與靜態(tài)電阻應(yīng)變儀相連接。模擬加載軸壓、側(cè)屈、屈伸、旋轉(zhuǎn)等7種工況,記錄相應(yīng)關(guān)節(jié)突應(yīng)變值。L3、L4、L5置入雙側(cè)椎弓根螺釘(Monarch,Depuy公司),與制作好的鎳鈦合金棒相連,螺釘固定、鎖緊。重復(fù)上述工況加載,記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。5具標本均重復(fù)以上步驟,記錄數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析。 結(jié)果： 1.通過DLS數(shù)字模型有限元分析結(jié)果顯示,當L4-5椎體發(fā)生退變性I度滑脫后該

10、節(jié)段椎問盤壓縮應(yīng)力的集中分布在前部纖維環(huán),而遠端L5-S1關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)則承受了較多的軸向載荷。屈伸狀態(tài)下,L4-5椎間盤在前屈時的受力要明顯大于后伸時受力,而L5-S1椎間盤受力在兩種狀態(tài)下變化不大。結(jié)果證明在腰椎軸向負載情況下,L4-5椎間盤應(yīng)力大于L5-S1,L4-5關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)受力小于L5-S1。L5-S1節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)受力明顯大于同節(jié)段椎間盤受力,L5下關(guān)節(jié)突平均應(yīng)力為L5-S1椎問盤的5.8倍,而S1上關(guān)節(jié)突平均應(yīng)力達L5-S1椎

11、間盤高達16.1倍。圖形輸出結(jié)果顯示L5椎弓根峽部應(yīng)力集中最為顯著。無論是前屈位還是后伸位,峽部的應(yīng)力均明顯增大,而前屈位時增大更為顯著。 2.通過有限元方法對鎳鈦合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨加載力增大,兩種材料形變均呈線性增加,而Ni-Ti合金的形變量較Ti大,屈服應(yīng)力以下,兩者形變量并無衰減。 3.鎳鈦合金與鈦合金固定融合的有限元分析發(fā)現(xiàn)：在軸壓、屈伸、側(cè)屈工況下,Ni-TⅠ組與對照組(融合組)相比

12、,L5-S1椎間盤受力無明顯差異(P>0.05),而L5下關(guān)節(jié)突及S1上關(guān)節(jié)突受力明顯減小(P<0.05),應(yīng)力值平均減小30％以上。順時針旋轉(zhuǎn)時與對照組相比,Ni-Ti合金組在L5-S1椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)所受應(yīng)力均明顯減小,椎間盤應(yīng)力減小接近50％,關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力減小超過50％。 4.力學(xué)實驗表明,鎳鈦合金內(nèi)固定后,在軸壓與后伸加載條件下,L5-S1應(yīng)變相比未固定腰椎而言,應(yīng)變值減小最大,而在剩余固定節(jié)段應(yīng)變分布較為平均。當前

13、屈狀態(tài)下,L4-5應(yīng)變值相比未固定腰椎減小最大。上述結(jié)果與第二部分數(shù)字模擬的結(jié)果類似。5具腰椎標本軸向加壓10N·m,計算L3-4 FSU平均剛度,結(jié)合文獻報道與第一部分有限元計算所得L3-4 FSU平均剛度進行比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn)平均剛度基本相符,之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義,證明了有限元模擬的有效性。 結(jié)論： 1.腰椎滑脫后應(yīng)力承載重心的轉(zhuǎn)移本實驗的研究結(jié)果顯示,當L4-5椎體發(fā)生退變性I度滑脫后該節(jié)段椎間盤壓縮應(yīng)力的集中分布在前

14、部纖維環(huán),而遠端L5-S1關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)則承受了較多的軸向載荷,這種應(yīng)力承載重心的轉(zhuǎn)移可以解釋腰椎滑脫后鄰近節(jié)段后柱加速退變所導(dǎo)致的腰痛。 2.腰椎滑脫椎間盤和小關(guān)節(jié)突應(yīng)力承載變化本課題對腰椎滑脫后退行性變的椎間盤剪切應(yīng)力的研究結(jié)果顯示,椎間盤的剪切應(yīng)力主要分布在纖維環(huán),髓核所能提供的抗剪能力對于整個椎問盤來說是微不足道的。在脊柱的承載中小關(guān)節(jié)也具有十分重要的作用,是一個應(yīng)力容易集中引發(fā)損傷的部位。本課題顯示退行性變性腰椎滑脫后遠端

15、椎體節(jié)段小關(guān)節(jié)的平均剪切應(yīng)力明顯高于退行性變的椎間盤,使得小關(guān)節(jié)上剪切應(yīng)力的分布增大,小關(guān)節(jié)成為剪切力的主要承載者。 3.滑脫椎體峽部受力特點本實驗研究結(jié)果顯示,L5椎弓根峽部應(yīng)力集中最為顯著。無論是前屈位還是后伸位,峽部的應(yīng)力均明顯增大,而前屈位時增大更為顯著,是一個局部的高應(yīng)力集中,使退變性腰椎滑脫有轉(zhuǎn)變?yōu)閸{部裂性腰椎滑脫的趨勢,腰椎滑移程度加大。 4.鎳鈦形狀記憶合金應(yīng)變特點及非融合固定數(shù)字模型分析鎳鈦合金非融合固

16、定能顯著減小遠端關(guān)節(jié)突應(yīng)力承載,能使腰椎應(yīng)力負載在固定節(jié)段平均分布。鎳鈦合金腰椎固定后其疲勞強度及螺釘-骨界面應(yīng)力情況、螺釘?shù)目拱纬隽枰M一步研究。 5.鎳鈦合金非融合固定的初步力學(xué)實驗研究本實驗采用電阻應(yīng)變測量法來觀測實驗標本在正常狀態(tài)及經(jīng)椎弓根釘鎳鈦合金棒固定時不同工況加載下腰椎關(guān)節(jié)突的應(yīng)力、位移變化,并與有限元模型進行比照分析。結(jié)果證明,所有工況下,鎳鈦合金固定后L4-5、L5-S1關(guān)節(jié)突受力均顯著減小,應(yīng)力在各椎體之