本文選題：頸椎　切入點(diǎn)：有限元　出處：《吉林大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：當(dāng)代社會，人們生活方式的改變導(dǎo)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(xué)研究有助于提高對頸椎傷病發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識和理解，為頸椎傷病的預(yù)防和治療提供理論基礎(chǔ)。其中，有限元方法以其可重復(fù)性、便于參數(shù)化研究、成本低等優(yōu)點(diǎn)成為比較理想的研究手段，已在頸椎發(fā)病及損傷機(jī)制、臨床術(shù)式、頸椎人工假體設(shè)計(jì)等方面得到廣泛應(yīng)用。同時，頸椎椎間融合器常用于前路融合手術(shù)中，具有實(shí)現(xiàn)術(shù)后即刻穩(wěn)定、撐開和維持椎間隙高度、促進(jìn)融合等優(yōu)點(diǎn)，因而在頸椎前路手術(shù)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(guān)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(yùn)動生物力學(xué)試驗(yàn)測試、頭頸部醫(yī)學(xué)圖像及逆向工程技術(shù)對人體頸椎運(yùn)動進(jìn)行了有限元建模研究，并利用仿生學(xué)理念設(shè)計(jì)了具有仿生表面形態(tài)的頸椎椎間融合器；結(jié)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(jìn)行了研究。 基于運(yùn)動生物力學(xué)試驗(yàn)測試方法，設(shè)計(jì)了7個Marker反光標(biāo)記點(diǎn)對頭部及頸椎棘突點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。利用三維運(yùn)動分析系統(tǒng)，，對受試對象的頭頸部在前屈、左/右側(cè)彎及左/右旋轉(zhuǎn)5種正常生理運(yùn)動狀態(tài)下的運(yùn)動學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，任意測試運(yùn)動狀態(tài)下，上頸椎（C2）的運(yùn)動范圍均明顯大于下頸椎（C6、C7）的運(yùn)動范圍；與頭部運(yùn)動特性類似，棘突運(yùn)動在左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(xué)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(yùn)動分析系統(tǒng)測試得到的同一受試對象的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，主要包括前屈、左/右側(cè)彎及左/右旋轉(zhuǎn)5種正常的生理運(yùn)動。仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的對比分析表明，計(jì)算仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試吻合較好，所建模型合理、有效，可用于相關(guān)生物力學(xué)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(zhì)骨、松質(zhì)骨、后部結(jié)構(gòu)、纖維環(huán)及韌帶進(jìn)行的材料敏感性分析結(jié)果表明，材料彈性模量的變化對于側(cè)彎運(yùn)動的影響可以忽略，對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動影響較大，而前屈運(yùn)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(shù)，對正常生理運(yùn)動狀態(tài)下的頸部皮膚滑移進(jìn)行了評估，包括前屈及左右側(cè)彎運(yùn)動。結(jié)果表明，前屈運(yùn)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(cè)彎運(yùn)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(yù)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(biāo)為終板、融合器、皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的最大Von-Mises應(yīng)力，植骨融合性能的主要指標(biāo)為植骨應(yīng)力。設(shè)計(jì)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(cè)彎以及旋轉(zhuǎn)載荷下的運(yùn)動，分析了運(yùn)動模式及融合器形狀變化對融合器植入力學(xué)性能的影響。運(yùn)動模式研究表明，軸向壓縮載荷時發(fā)生下沉的風(fēng)險最低，后伸運(yùn)動是最有利于植骨融合的運(yùn)動模式；形狀研究結(jié)果表明，12-葉融合器防止下沉性能較優(yōu)，而促進(jìn)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(jié)構(gòu)力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了具有凹槽結(jié)構(gòu)的頸椎椎間融合器。通過凹槽結(jié)構(gòu)的二次旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，得到了防止下沉性能評價指標(biāo)（終板應(yīng)力、C5松質(zhì)骨應(yīng)力及C6松質(zhì)骨應(yīng)力）關(guān)于凹槽結(jié)構(gòu)中心距融合器中心的位置s，凹槽結(jié)構(gòu)的寬度b，以及凹槽結(jié)構(gòu)的深度h的回歸方程，利用該回歸方程進(jìn)行最優(yōu)化分析得到的最優(yōu)凹槽尺寸可實(shí)現(xiàn)降低應(yīng)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(xué)特性的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了仿生凹坑表面形態(tài)，并分別置于融合器側(cè)面或上下表面進(jìn)行融合器性能的研究。通過凹坑表面形態(tài)置于融合器側(cè)面的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)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(yàn)設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)和表面形態(tài)）仿生研究結(jié)果基礎(chǔ)上，運(yùn)用耦合仿生原理與試驗(yàn)優(yōu)化理論，設(shè)計(jì)了二元耦合仿生頸椎椎間融合器。仿真試驗(yàn)表明，凹坑表面形態(tài)置于融合器側(cè)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(jié)構(gòu)單元仿生顯著提高；但當(dāng)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(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB17;R318

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1592374