腰椎彈性內固定系統的設計與力學研究.pdf

1、研究背景和目的：
　　 腰椎融合術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,雖然內固定的應用使融合率和臨床結果有很大改善,但與此相關的問題仍然不少。目
　　 因此,脊柱動態(tài)性內固定(半堅強固定、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。
　　 由于具有獨特的形狀記憶效應和超彈性,鎳鈦合金目前被廣泛的應用于牙齒矯正、血管

2、支架、骨科矯形釘等。其獨特的形狀記憶效應能夠在特定的溫度下維持一種形狀,當溫度下降到特定的臨界溫度后,其可以變得可以任意塑形,當溫度再次加熱到超過臨界溫度后,其可以自然回復原狀；同時,它的另外一個獨特的優(yōu)勢是具有良好的超彈性,在一定的形變范圍內,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合組成生物彈性內固定系統,本系統具有如下特點:1內固定系統的設計遵循腰椎的解剖與生物力學特點,充分運用記憶合金棒本身和"U"型結構體現的彈性,在材料特性和力學性能上具有優(yōu)越性,具有一定的彈性變形能力,不僅起到堅強固定,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內固定系統結合椎弓根釘技術,完成脊柱三維固定,內固定牢靠；3內固定系統在臨床操作上極為簡單方便,同時具有十分大眾化的價格優(yōu)勢,系統在

4、國內外文獻未見類似設計報道,具有一定的先進性和創(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,患病群體在逐年擴大。鎳鈦合金腰椎椎弓根彈性內固定作為一種新型的彈性內固定系統具有良好的疾病人群,該項裝置兼顧腰椎的穩(wěn)定性和活動性,無需植骨融合。此外,該金屬由無毒元素構成,生物相容性好,無需再次手術取出,具有獨立知識產權的國產產品在價格上也會具有一定的優(yōu)勢。產品兼顧簡易、安全、耐用、便宜的優(yōu)點使患者更易于接受。

5、上述優(yōu)點將使該系統具有廣泛的臨床應用前景。
　　 本研究共分為四部分:
　　 第一部分腰椎彈性內固定系統的設計目的:傳統觀念認為,脊柱融合術是下腰痛和腰椎不穩(wěn)的主要治療方法,隨著生物學技術(包括骨形態(tài)發(fā)生蛋白和椎弓根螺釘固定技術等)的出現,融合率可以達到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改善。同時,目前有證據發(fā)現融合會加重臨近節(jié)段的生物力學負荷,導致一部分行融合術后的病例發(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)內固定,或者軟固定。隨著NiTi記憶合金材料在醫(yī)學領域的廣泛應用和不斷拓展,其獨特的超彈性性能及較好的形狀記憶的特點使其在脊柱外科中的應用取得了較好的效果,如脊柱畸形矯正及腰椎峽部裂節(jié)段內固定等,本研究擬根據脊柱動態(tài)內固定的理論,利用鎳鈦合金的超彈性設計一種記憶合金棒與鈦合金椎弓根釘相結合組成生物彈性內固定系統,該系統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。
　　 設計理念:該內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)段的構件和將該構件兩頭固定于腰椎弓上的自攻螺釘,構件為棒狀,其中部彎曲構成一個或兩個U形的彎部。內固定器遵循椎體的解剖與其在整個脊柱中的力學特點,采用釘棒結構的設計思想,時將棒狀構件的中部彎曲成U形的彎部,從而大大改善了棒狀構件效果,使整個內固定器在三維空間內都具有良好的彈性效果。
　　 結果和結

8、論:
　　 我們利用NiTi記憶合金的形狀記憶效應和超彈性特征,根據腰椎退變性疾病病理生理狀況和腰椎椎弓根內固定思路,我們能夠設計出較為滿意的“U”型彈性內固定系統,設計思路符合腰椎彈性內固定理念,預計可有效避免目前傳統的內固定系統的缺點。
　　 第二部分NiTi合金“U”型彈性內固定系統有限元模型的建立及力學分析目的:在NiTi合金“U”型彈性內固定器二維平面設計的基礎上,利用計算機軟件進行三維模型建立,并對其進行有限

9、元力學分析,進而評價初始設計的合理性,提高NiTi合金腰椎“U”型彈性內固定器的設精度,簡化和節(jié)約制作成本。
　　 方法腰椎“U”形彈性內固定系統的連接棒中段設計為“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,整個螺釘設計為向下的錐型,相對螺釘的根徑從遠端至近端逐漸增粗,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。同時根據椎弓根螺釘、連接棒的幾何尺寸及力學參數分別添加螺釘和連接棒模型,建立腰椎“U”形彈性內固定的三維有限元模型,分別施加垂直壓縮、前屈、后伸、側屈及旋轉等各種生理載荷,對不同載荷下模型各部分的應力進行觀察和分析。
　　 結

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

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

13、描,將所得圖像進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。同時根據椎弓根螺釘、連接棒的幾何尺寸,力學參數,分別建立兩種不同內固定器的有限元模型。然后分別施加壓縮、前屈、后伸、側屈及旋轉等各種生理載荷,觀察各模型不同載荷下螺釘、連接棒的應力分布。
　　 結果兩種內固定器的應力差異有統計學意義(主效應:F分組=179.

14、238,P分組=0.000；FPart=1064.772,PPart=0.000。交互效應: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力集中的部位,該部位的應力遠大于彈性固定器,而彈性內固定應力“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力均出現于前屈時。
　　 結論在加載相同的縱向載荷條件下,剛性內固定器應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、型彈性內固定器的應力均勻分布在“U”型連接棒上,可以減少斷釘的現象發(fā)生。
　　 第四部分腰椎彈性內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合組成生物彈性內固定系統,擬通過有限元的方法進一步評價“U”型鎳鈦記憶合金棒的力學特點。
　　 方法:電腦硬件配置:P43.0GHz雙核超線程CPU,4GDDR800內存,6800GT雙128MPCIE圖形加速卡。
　　 建模方法:對“U

16、”型記憶合金棒進行螺旋CT掃描,層距1mm,由螺旋CT機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據矩陣,轉換為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軟件自適應劃分網格,根據分析問題的具體需要,預估計應力/應變變化大的區(qū)域或需仔細了解的區(qū)域,網格劃分較其他區(qū)域細致,預估計應力/應變變化

17、小的區(qū)域或不作要求的區(qū)域,網格劃分較其他區(qū)域粗糙。實驗中“U”型記憶合金棒的三維有限元模型共劃分了8456個單元,65246個結點。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固定器的應力分布,并與傳統的鈦合金內固定棒進行比較。
　　 結果:成功建立了“U”型彈性內固定棒的有限元模型,可以預測內固定棒在變形過程中其本身結構中各節(jié)點、單元的受力、位移情況。在垂直壓縮、前屈和后伸狀態(tài)下內固定棒應力分布合理,