人体颈椎有限元建模及仿生颈椎椎间融合器研究

发布时间：2018-03-10 07:40

本文选题：颈椎　切入点：有限元　出处：《吉林大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：当代社会，人们生活方式的改变导致颈椎病呈现高发病率、职业化、年轻化的趋势；车辆交通事故频发也使得颈部损伤成为一种常见的损伤形式。颈椎生物力学研究有助于提高对颈椎伤病发病机制的认识和理解，为颈椎伤病的预防和治疗提供理论基础。其中，有限元方法以其可重复性、便于参数化研究、成本低等优点成为比较理想的研究手段，已在颈椎发病及损伤机制、临床术式、颈椎人工假体设计等方面得到广泛应用。同时，颈椎椎间融合器常用于前路融合手术中，具有实现术后即刻稳定、撑开和维持椎间隙高度、促进融合等优点，因而在颈椎前路手术中得到了快速发展。但与之伴随的下沉、移位、不融合等相关并发症也越来越引起人们的重视。本文基于人体头颈部运动生物力学试验测试、头颈部医学图像及逆向工程技术对人体颈椎运动进行了有限元建模研究，并利用仿生学理念设计了具有仿生表面形态的颈椎椎间融合器；结合生物耦合及耦合仿生理论对耦合仿生颈椎椎间融合器进行了研究。基于运动生物力学试验测试方法，设计了7个Marker反光标记点对头部及颈椎棘突点进行标记。利用三维运动分析系统，，对受试对象的头颈部在前屈、左/右侧弯及左/右旋转5种正常生理运动状态下的运动学特性进行试验研究。结果表明，任意测试运动状态下，上颈椎（C2）的运动范围均明显大于下颈椎（C6、C7）的运动范围；与头部运动特性类似，棘突运动在左右侧弯和左右旋转运动中也体现出了一定的对称性。基于CT扫描得到的头颈部医学图像，建立了正常人体头颈部三维动态有限元模型，包括颅骨、7节颈椎骨、第一胸椎骨骼、6个椎间盘以及连接颅骨与颈椎、连接颈椎之间的13条韧带。利用三维运动分析系统测试得到的同一受试对象的运动学数据对模型进行验证，主要包括前屈、左/右侧弯及左/右旋转5种正常的生理运动。仿真结果与试验测试数据的对比分析表明，计算仿真结果与试验测试吻合较好，所建模型合理、有效，可用于相关生物力学研究。基于均方根误差和相对均方根误差分析方法，对模型的皮质骨、松质骨、后部结构、纤维环及韧带进行的材料敏感性分析结果表明，材料弹性模量的变化对于侧弯运动的影响可以忽略，对旋转运动影响较大，而前屈运动则受到韧带弹性模量变化轻微的影响。借助核磁成像技术，对正常生理运动状态下的颈部皮肤滑移进行了评估，包括前屈及左右侧弯运动。结果表明，前屈运动时，X方向与Y方向上最大的皮肤位移发生在C2节段，分别是8.5mm和7.2mm，在Z方向C6节段最大，为9mm；侧弯运动时，X，Y，Z方向上最大的皮肤滑移均发生在C2节段上，分别为20.5mm，11mm及9.5mm。从预防融合器下沉、移位及不融合等并发症出发，确定了评估融合器防止下沉性能的主要指标为终板、融合器、皮质骨与松质骨的最大Von-Mises应力，植骨融合性能的主要指标为植骨应力。设计了5种形状的颈椎椎间融合器，基于所建立的C5-C6节段颈椎有限元模型，通过仿真其在轴向压缩、前屈、后伸、侧弯以及旋转载荷下的运动，分析了运动模式及融合器形状变化对融合器植入力学性能的影响。运动模式研究表明，轴向压缩载荷时发生下沉的风险最低，后伸运动是最有利于植骨融合的运动模式；形状研究结果表明，12-叶融合器防止下沉性能较优，而促进植骨融合器能力较优的形状则为肾形和4-叶形。基于人体颈椎椎间盘的结构力学特性，设计了具有凹槽结构的颈椎椎间融合器。通过凹槽结构的二次旋转设计，得到了防止下沉性能评价指标（终板应力、C5松质骨应力及C6松质骨应力）关于凹槽结构中心距融合器中心的位置s，凹槽结构的宽度b，以及凹槽结构的深度h的回归方程，利用该回归方程进行最优化分析得到的最优凹槽尺寸可实现降低应力22.58%~26.04%，这大大地提高了融合器防止下沉的性能，其中，开槽宽度b和深度h对植骨融合性能的影响较为显著。受马腿第三掌骨滋养小孔力学特性的启发，设计了仿生凹坑表面形态，并分别置于融合器侧面或上下表面进行融合器性能的研究。通过凹坑表面形态置于融合器侧面的正交试验设计，结果表明：防止下沉性能的最优化水平分别为，凹坑中心所在的平面与融合器中心的距离a=-2mm（+/-代表凹坑中心所在平面位于融合器中心的上/下方），凹坑的半径r=0.1mm，凹坑深径比p=1；植骨融合性能的最优化水平分别为：a=+2mm，r=0.3mm，p=1.5。通过凹坑表面形态置于融合器的上下表面的正交试验设计，得到了防止下沉性能与植骨融合性能的最优化水平为，凹坑数量12，凹坑半径0.5mm，凹坑深径比1.5。在颈椎椎间融合器的单因素（结构和表面形态）仿生研究结果基础上，运用耦合仿生原理与试验优化理论，设计了二元耦合仿生颈椎椎间融合器。仿真试验表明，凹坑表面形态置于融合器侧面的耦合仿生融合器，其防止下沉性能及植骨融合性能均较结构单元仿生显著提高；但当凹坑表面形态置于融合器的上下表面时，耦合仿生融合器的防止下沉性能及植骨融合性能却有所下降。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB17;R318

【参考文献】