發(fā)布時間：2018-03-10 07:40

  本文選題：頸椎　切入點：有限元　出處：《吉林大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：當代社會，人們生活方式的改變導致頸椎病呈現(xiàn)高發(fā)病率、職業(yè)化、年輕化的趨勢；車輛交通事故頻發(fā)也使得頸部損傷成為一種常見的損傷形式。頸椎生物力學研究有助于提高對頸椎傷病發(fā)病機制的認識和理解，為頸椎傷病的預防和治療提供理論基礎。其中，有限元方法以其可重復性、便于參數(shù)化研究、成本低等優(yōu)點成為比較理想的研究手段，已在頸椎發(fā)病及損傷機制、臨床術式、頸椎人工假體設計等方面得到廣泛應用。同時，頸椎椎間融合器常用于前路融合手術中，具有實現(xiàn)術后即刻穩(wěn)定、撐開和維持椎間隙高度、促進融合等優(yōu)點，因而在頸椎前路手術中得到了快速發(fā)展。但與之伴隨的下沉、移位、不融合等相關并發(fā)癥也越來越引起人們的重視。 本文基于人體頭頸部運動生物力學試驗測試、頭頸部醫(yī)學圖像及逆向工程技術對人體頸椎運動進行了有限元建模研究，并利用仿生學理念設計了具有仿生表面形態(tài)的頸椎椎間融合器；結合生物耦合及耦合仿生理論對耦合仿生頸椎椎間融合器進行了研究。 基于運動生物力學試驗測試方法，設計了7個Marker反光標記點對頭部及頸椎棘突點進行標記。利用三維運動分析系統(tǒng)，，對受試對象的頭頸部在前屈、左/右側彎及左/右旋轉5種正常生理運動狀態(tài)下的運動學特性進行試驗研究。結果表明，任意測試運動狀態(tài)下，上頸椎（C2）的運動范圍均明顯大于下頸椎（C6、C7）的運動范圍；與頭部運動特性類似，棘突運動在左右側彎和左右旋轉運動中也體現(xiàn)出了一定的對稱性。 基于CT掃描得到的頭頸部醫(yī)學圖像，建立了正常人體頭頸部三維動態(tài)有限元模型，包括顱骨、7節(jié)頸椎骨、第一胸椎骨骼、6個椎間盤以及連接顱骨與頸椎、連接頸椎之間的13條韌帶。利用三維運動分析系統(tǒng)測試得到的同一受試對象的運動學數(shù)據(jù)對模型進行驗證，主要包括前屈、左/右側彎及左/右旋轉5種正常的生理運動。仿真結果與試驗測試數(shù)據(jù)的對比分析表明，計算仿真結果與試驗測試吻合較好，所建模型合理、有效，可用于相關生物力學研究。基于均方根誤差和相對均方根誤差分析方法，對模型的皮質骨、松質骨、后部結構、纖維環(huán)及韌帶進行的材料敏感性分析結果表明，材料彈性模量的變化對于側彎運動的影響可以忽略，對旋轉運動影響較大，而前屈運動則受到韌帶彈性模量變化輕微的影響。 借助核磁成像技術，對正常生理運動狀態(tài)下的頸部皮膚滑移進行了評估，包括前屈及左右側彎運動。結果表明，前屈運動時，X方向與Y方向上最大的皮膚位移發(fā)生在C2節(jié)段，分別是8.5mm和7.2mm，在Z方向C6節(jié)段最大，為9mm；側彎運動時，X，Y，Z方向上最大的皮膚滑移均發(fā)生在C2節(jié)段上，分別為20.5mm，11mm及9.5mm。 從預防融合器下沉、移位及不融合等并發(fā)癥出發(fā)，確定了評估融合器防止下沉性能的主要指標為終板、融合器、皮質骨與松質骨的最大Von-Mises應力，植骨融合性能的主要指標為植骨應力。設計了5種形狀的頸椎椎間融合器，基于所建立的C5-C6節(jié)段頸椎有限元模型，通過仿真其在軸向壓縮、前屈、后伸、側彎以及旋轉載荷下的運動，分析了運動模式及融合器形狀變化對融合器植入力學性能的影響。運動模式研究表明，軸向壓縮載荷時發(fā)生下沉的風險最低，后伸運動是最有利于植骨融合的運動模式；形狀研究結果表明，12-葉融合器防止下沉性能較優(yōu)，而促進植骨融合器能力較優(yōu)的形狀則為腎形和4-葉形。 基于人體頸椎椎間盤的結構力學特性，設計了具有凹槽結構的頸椎椎間融合器。通過凹槽結構的二次旋轉設計，得到了防止下沉性能評價指標（終板應力、C5松質骨應力及C6松質骨應力）關于凹槽結構中心距融合器中心的位置s，凹槽結構的寬度b，以及凹槽結構的深度h的回歸方程，利用該回歸方程進行最優(yōu)化分析得到的最優(yōu)凹槽尺寸可實現(xiàn)降低應力22.58%~26.04%，這大大地提高了融合器防止下沉的性能，其中，開槽寬度b和深度h對植骨融合性能的影響較為顯著。 受馬腿第三掌骨滋養(yǎng)小孔力學特性的啟發(fā)，設計了仿生凹坑表面形態(tài)，并分別置于融合器側面或上下表面進行融合器性能的研究。通過凹坑表面形態(tài)置于融合器側面的正交試驗設計，結果表明：防止下沉性能的最優(yōu)化水平分別為，凹坑中心所在的平面與融合器中心的距離a=-2mm（+/-代表凹坑中心所在平面位于融合器中心的上/下方），凹坑的半徑r=0.1mm，凹坑深徑比p=1；植骨融合性能的最優(yōu)化水平分別為：a=+2mm，r=0.3mm，p=1.5。通過凹坑表面形態(tài)置于融合器的上下表面的正交試驗設計，得到了防止下沉性能與植骨融合性能的最優(yōu)化水平為，凹坑數(shù)量12，凹坑半徑0.5mm，凹坑深徑比1.5。 在頸椎椎間融合器的單因素（結構和表面形態(tài)）仿生研究結果基礎上，運用耦合仿生原理與試驗優(yōu)化理論，設計了二元耦合仿生頸椎椎間融合器。仿真試驗表明，凹坑表面形態(tài)置于融合器側面的耦合仿生融合器，其防止下沉性能及植骨融合性能均較結構單元仿生顯著提高；但當凹坑表面形態(tài)置于融合器的上下表面時，耦合仿生融合器的防止下沉性能及植骨融合性能卻有所下降。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TB17;R318

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 楊加,吳祈耀,田捷,楊驊;幾種圖像分割算法在CT圖像分割上的實現(xiàn)和比較[J];北京理工大學學報;2000年06期

2 程黎明,賈連順,蔡宣松,俞光榮,梅炯,黃本才,朱川海,鄭本輝;頸椎前路椎管擴大的三維有限元研究[J];第二軍醫(yī)大學學報;2003年04期

3 張美超,黃文華,王柏川,朱青安,鐘世鎮(zhèn);應用有限方法評價頸前路蝶型鋼板的力學性能[J];第一軍醫(yī)大學學報;2001年10期

4 張建國;王芳;薛強;;后碰撞中人體頸部動力學響應的有限元分析[J];工程力學;2010年04期

5 張昊,白凈;頸椎有限元模型的建立方法及進展[J];國外醫(yī)學(生物醫(yī)學工程分冊);2005年04期

6 楊濟匡,姚劍峰;人體頸部動力學響應分析有限元模型的建立和驗證[J];湖南大學學報(自然科學版);2003年04期

7 楊濟匡,許偉,萬鑫銘;研究汽車碰撞中頭頸部動態(tài)響應的有限元模型的建立和驗證[J];湖南大學學報(自然科學版);2005年02期

8 盧暢;韓珂;李晶;王冰;呂國華;;基于CT圖像全頸椎三維有限元模型的建立及驗證[J];中南大學學報(醫(yī)學版);2008年05期

9 任露泉;;地面機械脫附減阻仿生研究進展[J];中國科學(E輯:技術科學);2008年09期

10 孫宇，李貴存;第二屆頸椎病專題座談會紀要[J];解放軍醫(yī)學雜志;1994年02期

相關博士學位論文 前4條

1 李娜;汽車碰撞中人體頭頸部損傷有限元模型研究[D];中南大學;2010年

2 趙國如;基于多剛體逆向運動學原理的人體運動測試技術及運動耦合特性研究[D];吉林大學;2009年

3 錢志輝;人體足部運動的有限元建模及其生物力學功能耦合分析[D];吉林大學;2010年

4 陳雷;新型國人頸椎前路內固定系統(tǒng)初步設計與相關實驗研究[D];吉林大學;2012年

本文編號：1592374