定向灌注椎弓根螺釘?shù)脑O計和實驗研究.pdf

1、1.研究背景： 自從Boucher采用長螺釘經椎板、椎弓根達椎體固定腰骶關節(jié)取得成功以來，經過不斷發(fā)展完善，椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)因其貫穿三柱、固定堅強而成為當今臨床使用最為廣泛的脊柱后路內固定器械，應用于治療脊柱退行性病變，脊柱骨折，脊柱畸形及骨轉移瘤等病癥，這也是生物力學理論在脊柱內固定實踐方面的體現(xiàn)。 椎弓根螺釘固定的可靠性取決于骨-螺釘界面把持力的維持，在臨床上，螺釘?shù)陌殉至Σ粔蚧蛐g后承載過大時，均會造成椎弓根螺釘

2、的松動或拔出，尤其是在骨質疏松的患者中更為常見。此外，在術中植入椎弓根螺釘?shù)倪^程中，常出現(xiàn)首次植釘失敗，需要再次擰入螺釘，這也導致螺釘植入后把持力下降，螺釘松動、脫出。隨著椎弓根內固定術的廣泛應用，導致手術失敗的螺釘松動、脫出、假關節(jié)形成等屢有報道，針對這些失敗病例的翻修手術也越來越多。如何提高椎弓根螺釘?shù)姆€(wěn)定性已成為當今脊柱外科研究的焦點之一。 通常的翻修手術有增加椎弓根螺釘直徑、長度，在釘?shù)纼瘸涮钇渌牧系?。但實踐證明，增加

3、椎弓根螺釘直徑可增加椎弓根骨折、神經根損傷的危險，且對多數(shù)病人并不適合；增加螺釘長度則可增加椎體前緣骨質穿破、椎體前方重要血管和臟器損傷的危險；而在釘?shù)纼瘸涮罟潭ú牧弦泊嬖谥恍┍锥?。因此，如何在椎體的解剖限制范圍內有效提高骨-螺釘界面的把持力，確保固定的可靠性及穩(wěn)定性，成為經椎弓根內固定器械的研究熱點。目前聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)強化是使用最多的椎弓根螺釘翻修術式。研究證實，PMMA能

4、顯著增加椎弓根螺釘?shù)陌纬隽?，隨著PMMA強化方式的不同，椎弓根螺釘?shù)墓潭◤姸瓤稍黾?9％-183％。然而PMMA強化有潛在的危險性，一旦發(fā)生滲漏，骨水泥的熱效應可損傷神經、血管、脊髓等，而遠期更有椎管內異物存留導致壓迫等危險。骨水泥注射過程中粘合劑過稠則難以均勻分布，過稀則有椎體外滲漏危及鄰近營養(yǎng)血管和神經根之虞。 有鑒于此，本課題希望設計一種可定向灌注椎弓根螺釘，使得骨水泥灌注方向可控，減少骨水泥滲漏的發(fā)生率，以減少骨水泥滲漏

5、入椎管和椎間孔引起脊髓壓迫和神經根變性的發(fā)生率，并為椎弓根螺釘翻修術提供新的選擇。 2.目的： 2.1使用計算機輔助設計技術建立一種新型的、具有定向灌注能力的椎弓根螺釘模型。 2.2比較實心椎弓根螺釘與空心定向灌注椎弓根螺釘?shù)牟牧狭W性質，優(yōu)化模型設計并制造螺釘實物。 2.3比較實心椎弓根螺釘和空心定向灌注椎弓根螺釘?shù)纳锪W特性，為椎弓根螺釘翻修提供新選擇。 2.4計算機流體力學仿真模擬定向灌注

6、，實驗驗證。 3.方法： 3.1定向灌注椎弓根螺釘?shù)脑O計和建模 使用計算機輔助設計軟件Pro/ENGINEER建模，設計空心、帶有導向側孔和定位標志的椎弓根螺釘及配套的定向灌注釘芯，具體步驟為：螺釘草繪、賦值、建立半截面、旋轉成胚、螺旋掃描螺紋，切割中軸孔、導向側孔、定位標志以及定位槽，建模完成后進行虛擬裝配和仿真運動，觀察定向是否成功以及組建是否存在相互干擾，根據結果進一步修正與完善建模。 3.2定向灌

7、注椎弓根螺釘?shù)慕Y構分析、制作以及材料力學研究 3.2.1計算機輔助結構分析 建模完畢后，模型導入機構/運動/結構/熱力分析模塊Pro/MECHANISM中，將模型簡化為懸臂梁，劃分有限元網格，定義材料屬性、約束條件、載荷，進行結構分析，找出應力過分集中或運動干涉等不合理部分，調整建模，直至滿意，同時比較中空和實心椎弓根螺釘?shù)膽Α兎植肌?3.2.2螺釘制作 使用醫(yī)用鈦合金TC4制作螺釘，由佛山施泰寶外

8、科植入物有限公司制造，中空和側孔部分由廣東工業(yè)大學機電系DMU60T數(shù)控高速加工中心加工。 3.2.3材料力學實驗 3.2.3.1三點折彎實驗 10個定向灌注椎弓根螺釘(空心)和10個外形相同的實心螺釘使用858MiniBionixMTS材料試驗機進行三點折彎試驗，快速垂直加載至4000N，載荷信號由計算機采集系統(tǒng)記錄，TeststarII測試分析軟件計算。 3.2.3.2剪切實驗 10個定向灌注

9、椎弓根螺釘(空心)和10個外形相同的實心螺釘使用858MiniBionixMTS材料試驗機上進行，30N/s，快速垂直加載至4000N，載荷信號由計算機采集系統(tǒng)記錄，TststarII測試分析軟件計算。數(shù)據采用SPSS13.0統(tǒng)計軟件包，兩獨立樣本t檢驗。 3.3定向灌注椎弓根螺釘?shù)纳锪W研究 3.3.1標本選擇 6具新鮮成人尸體胸腰段椎體標本(男5具，女1具，年齡28～57歲)去除軟組織、自椎間盤處離斷，制成

10、T12～L5共36個椎體，隨機選取30個椎體進行試驗。 3.3.2分組及螺釘置入 隨機表法將30個椎體平均分成對照組(模擬普通椎弓根植入)、修復固定組(模擬椎弓根翻修術)、強化固定組(模擬椎弓根強化)共3組，按“人字嵴”進釘法同一椎體兩側分別植入空心和實心螺釘。 3.3.3標本包埋固定和最大軸向拔出力試驗 使用自凝義齒基脫粉包埋已植入椎弓根螺釘?shù)淖刁w，在材料試驗機上進行最大軸向拔出力實驗，記錄最大拔出力和

11、發(fā)生最大拔出力時的線性位移。采用廣義線性模型隨機單位組設計資料方差分析進行統(tǒng)計分析。 3.4定向灌注的流體力學仿真模擬和實驗研究 Gambit建模，劃分并優(yōu)化網格，導入Fluent中求解。使用材料試驗機制作壓縮骨折模型后經定向灌注椎弓根螺釘注入PMMA并拍X線片進行驗證。 4.結果： 4.1定向灌注椎弓根螺釘?shù)脑O計和建模 建模并調整、完善后在Pro/ENGINEER虛擬裝配，對組合模型使用Pro/

12、MECHANISM模塊檢驗運動，在規(guī)定的自由度內零件在仿真活動中沒有出現(xiàn)平面相互干擾現(xiàn)象，特別是釘芯側孔和螺釘?shù)哪繕藗瓤淄耆呛?，保證了單一通道的通暢性，結果顯示建模達到設計目的。 4.2定向灌注椎弓根螺釘?shù)慕Y構分析、制作以及材料力學研究 4.2.1計算機輔助結構分析 最初設計的模型導入Pro/ENGINEER的結構分析模塊Pro/Mechanism分析后發(fā)現(xiàn)椎弓根螺釘模型根部應力高度集中，存在結構上的薄弱點，檢

13、驗模型，進行模型修正與優(yōu)化后應力集中改善；比較中空和實心螺釘?shù)膽Ψ植?、應變、應變能量、位移曲線基本一致， 4.2.2材料力學實驗 4.2.2.1三點折彎實驗 快速垂直加載至4000N，空、實心螺釘均未出現(xiàn)折斷，兩種釘應變相同，均為0.17，實驗過程中恒定未變，應力-應變曲線接近，0-4000N加壓過程中均未出現(xiàn)下降波。 4.2.2.2剪切實驗 以30N/s加速度加壓，在位移6mm左右、應力達到約

14、4000N時空、實心螺釘均斷裂，二者應力-應變曲線幾乎重合?？招穆葆敽蛯嵭穆葆敵惺艿钠骄畲髴Ψ謩e為(3983.17±10.28)N和(3992.48±9.68)N，兩獨立樣本t檢驗結果，兩樣本均數(shù)統(tǒng)計學上沒有顯著差異(t=2.085，P=0.052)。 4.3定向灌注椎弓根螺釘?shù)纳锪W研究 4.3.1最大軸向拔出力實驗 空心側孔椎弓根螺釘對照組拔出力為(798.24±139.86)N，修復組為(1476.2

15、1±223.09)N，強化組為(1741.33±317.79)N；實心螺釘對照組拔出力為(904.37±212.03)N，修復組為(1828.42±239.68)N，強化組為(1783.37±250.49)N。對照組拔出力顯著低于其他兩組(P值均等于0.000)，強化固定組和修復固定組間差異無顯著性意義(P=0.330)。 4.3.2線性位移比較 空心側孔椎弓根螺釘對照組拔出力為(1.68±0.24)mm，修復組為(3.

16、16±0.70)mm，強化組為(3.13±0.62)mm；實心螺釘對照組拔出力為(1.85±0.37)mm，修復組為(3.43±0.98)mm，強化組為(3.36±0.98)mm。對照組發(fā)生最大拔出力時的線性位移LVDT顯著小于其他兩組(P值均等于0.000)，強化固定組和修復固定組間差異無顯著性意義(P=0.971)。 4.3.3 在強化組和修復組，植入空心椎弓根螺釘側的椎弓根表面無骨水泥滲漏，而實心釘植入側，骨水泥滲

17、漏較為多見。 4.4定向灌注的計算機模擬和實驗研究 計算機流體力學模擬實現(xiàn)了定向灌注并獲得靜態(tài)壓力、速度分布；實驗中定向灌注成功并獲得X線照片驗證。 5.結論： 5.1應用Pro/ENGINEER進行參數(shù)化建模，再應用其匹配的Pro/MECHANISM和Pro/MECHANICA模塊對模型進行動態(tài)仿真和結構分析，從設計思路、模型構建、動態(tài)仿真、計算機流體流體力學上都直觀而且精確地保證了設計思想中定向灌注主