3D打印外固定支具治疗单纯性胸腰椎骨折的有限元分析及临床应用研究

发布时间：2020-03-27 09:16

【摘要】：目的:(1)基于CT扫描采集的二维图像,建立胸腰椎骨折的三维数字化模型,并通过对胸腰椎骨折整复后外固定支具的数字化设计,利用3D打印技术,设计制作定制化外固定支具。(2)建立胸腰椎骨折的三维有限元模型(T12-L4),利用有限元法探讨3D打印外固定支具固定下胸腰椎骨折的生物力学变化及其对脊柱稳定的影响。(3)观察比较手法复位3D打印外固定支具固定(A组)、切开复位椎弓根螺钉内固定(B组)、手法复位卧床休息(C组)三种方案治疗胸腰椎骨折的临床疗效。材料与方法:(1)根据1例镇痛下手法整复满意后的L1骨折的男性胸腰段椎体CT数据,建立三维模型,保存后导入三维重建软件Mimics,进行组织切割,获取骨、皮肤、肌肉三维模型,导入3-matic中,设计出新型外固定支具的后侧支撑板模型,并再次导入Mimics软件内,三维模型以*.STL的格式导出并通过3D打印机打印成型,完成组装,佩戴。(2)根据镇痛下手法整复满意后L1骨折的男性的胸腰段椎体CT数据,利用计算机将DICOM数据进行三维成像,利用Mimics、Ansys、Geomagic Studio、Hpermesh等专业的相关软件建立T12-L4节段的三维有限元模型(包括骨骼,椎间盘的纤维环、髓核,软骨终板,韧带)。并通过模拟胸腰段椎体不同运动状态下的受力情况,建立佩戴支具后的模型,进行佩戴不同松紧程度支具的直立、前屈、后伸、侧屈、旋转五种状态下的椎体及椎间盘的应力和位移情况分析,进行3D打印支具佩戴治疗胸腰椎骨折的效应模拟研究。(3)回顾性分析三种不同治疗方案治疗单纯性胸腰椎骨折患者60例,评估各组治疗前后椎体前缘压缩度(AVBC),Cobb角的恢复及丢失情况,腰部疼痛(VAS评分)改善情况以及腰背部功能状况(ODI指数)的改善情况,并进行组内、组间比较,以评价三种治疗方案各自的优劣。结果:(1)基于CT扫描采集的二维图像,建立了胸腰椎骨折的三维数字化模型,通过3-matic等软件设计并经3D打印出了定制化的外固定支具。该支具具有个性化设计,固定精准,材质轻便等优点。(2)本研究利用相关软件,准确完整地建立了胸腰椎骨折的有限元模型,以及骨折后佩戴外固定支具的模型。该模型不但具有与真实的胸腰柱骨折相同的外形,并且具有非常好的几何相似性和仿真性。我们对该胸腰椎骨折的有限元模型的有效性进行了验证。通过将胸腰椎骨折后外固定支具佩戴下的有限元模型与未佩戴支具的胸腰椎骨折模型进行分析对比,发现支具的佩戴对于患者前屈,后伸,侧位,旋转等状态下骨折椎体的移位和应力均有一定改善,并且该新型支具的佩戴是安全的,骨折椎体高度继续丢失的风险很小。(3)经过三种不同治疗方案治疗后,患者椎体前缘压缩度(AVBC)、Cobb角、腰部疼痛(VAS评分)及腰背部功能状况(ODI指数)较治疗前均有明显改善(P0.05)。行组间比较时,C组末次随访的AVBC较B组差(p0.05):A组AVBC丢失值与C组相比有显著优势(p0.05);三种治疗方案在末次随访时组间无明显差异(p0.05)。结论:本研究以3D打印技术,结合数字影像技术和数学物理方法(有限元法)进行有限元建模和生物力学分析,设计并制作外固定支具,对具有良好疗效的传统中医伤科治疗方法(手法整复辅以外固定支具)进行研究、分析、设计。不但以现代技术对传统中医治疗方法展开了有效性研究,而且制造出了定制化的新型胸腰椎外固定支具。该支具基于胸腰椎骨折病人CT数据,借助计算机辅助设计,3D打印成型,具有“个性化”、“精准化”特点。该支具能对骨折进行有效固定,帮助患者早期下地,减少并发症的发生,是一款用以治疗单纯胸腰椎骨折的安全有效的外固定支具。
【图文】：

２．３详细操作方法逡逑下面结合附图对本研究制定的新型外固定支具进行详细阐述。逡逑如图７所示，本新型胸腰椎外固定支具实施例一，本外固定支具由前、后两部分组成。逡逑前、后部分通过魔术带连接，固定于人体的胸腹和腰背部。前部包括三块成型板材及设在逡逑成型板材内侧的海绵内衬，三块成型板材间通过铆钉相连接。逡逑如图８所示，新型胸腰椎外固定支具的实施例二，在实施例一的基础上，腰部外固定逡逑支具的后部包括一设置有前凸结构的多孔支撑板、海绵内衬及两块成型板材，支撑板是由逡逑专业的医用３Ｄ打印机打印成型的。支撑板与两块成型板材间通过铆钉连接。逡逑２２逡逑

面）；气囊长边贴上从左至右贴上３条１０ｃｍ毛面魔术带，将气囊贴在３Ｄ打印支撑板压逡逑力区处，，气囊安装的具体位置为与骨折椎体的相应水平。逡逑将原有可透气海绵内衬放入（２）装配好的外固定器后部，完成组装（如图１２）。逡逑ｌｌＰ逡逑打印成型的支撑版逦支具后部分制作过程逦压力可调节气囊逡逑ＱＱＩｌＩ）逡逑支具的前部分（含内衬）安装完成的支具后部分（内衬己拆除｝邋支具后部分的内衬逡逑图１２组装及成型后实物图逡逑四、结果逡逑通过对Ｌ１骨折的患者进行全胸腹部连续ＣＴ扫描（层厚为０．６２５ｍｍ），将所获得的逡逑数据以ＤＩＣＯＭ格式导出。导出的数据导入Ｍｉｍｉｃｓ软件进行分割重建，成功建立了胸腰逡逑骶椎骨骼与软组织两个独立的三维数字化模型。将文件导出，并以．ＳＴＬ格式保存。逡逑通过专业的３Ｄ打印机打印出定制型胸腰椎外固定支具的后侧支撑板。并将打印出来逡逑的支撑板与普通外固定支具的成形板材组装。于骨折椎体相应水平安装可调节充气气囊。逡逑新型的３Ｄ打印外固定支具采用的支撑板，采用光敏树脂材料打印，材料不受温度的影响，逡逑能够达到预期设计尺寸。每一具支具都是根据患者的ＣＴ平扫数据“私人定制”，由于可逡逑２４逡逑
【学位授予单位】：南京中医药大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R687.3

【参考文献】

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本文编号：2602760