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目前,针对颈椎退行性病变的外科治疗方法多为融合性的手术方式。主要术式包括颈椎前路减压植骨融合内固定术和椎体次全切除联合植骨融合内固定术。融合性手术可以重建脊柱稳定性,解除疼痛。但生物力学测试和临床实践表明,融合性手术多会导致临近节段生物力学传递方式改变,并加速临近节段退变。融合性手术的种种局限和缺点,促使了非融合术式的出现,最常见的就是颈椎间盘置换术(Total Disc Replacement,TDR)。各种新型的仿生人工颈椎间盘假体纷纷面世。TDR可以满足颈椎前路减压术后行功能性重建的要求,仿生性能优良,避免了融合带来的种种并发症。然而,这种单纯的椎间盘系统并不能满足椎体次全切术后,手术节段功能性重建的需要。因此,设计一种可以在椎体次全切除术后对手术节段进行功能性重建的假体显得极为重要。为此,我们研究设计了人工颈椎复合关节系统( artificial cervical joint complex, ACJC),并通过了初步生物力学测试,初步结果表明该假体系统既可以重建颈椎的稳定性,又能够保留手术节段的活动度。本研究依据有限元方法,建立ACJC的三维模型和有限元模型,结合优化设计方法,以实际临床要求为目标对ACJC的设计提出修改意见,并探索有限元方法在脊柱内固定研发中的应用价值。以期能够运用该方法科学进行内固定研发,缩短研发周期,提高研发效率。实验目的:1、掌握三维建模系统;2、掌握有限元方法的计算机操作过程;3、通过有限元方法,对ACJC进行优化设计分析,提出修改意见。实验方法:1、在三维建模软件中建立ACJC系统的参数化模型,并定义植骨孔尺寸控制参数。2、用数据接口转入有限元分析软件中,定义材料属性,划分网格,定义边界条件,施加载荷。3、设置模型的优化参数,执行计算,分析计算结果,改进ACJC设计。实验结果:1、有限元方法可以应用于脊柱内固定的优化设计过程中,可以提高内固定研发效率。2、在生理载荷下,随着ACJC设计尺寸的改变,最大Von mises应力逐渐增大,最大Von mises应力,最大剪切力均出现植骨孔的下方中心;ACJC系统的总体形变,在生理载荷下,并未随着植骨孔的尺寸增加而出现大的变化;ACJC系统下方的支反力随着植骨孔尺寸的增加,逐渐减小;ACJC系统最大Von mises应力、最大剪切力的安全因数随着尺寸的改变,呈抛物线形改变,最小安全因数出现在上方椎间盘装置与上方超高分子量聚乙烯衬垫接触部分。综合考虑该实验结果,当植骨孔尺寸参数3mm时,剪切力的最小安全因数达到最大值5.52,此时Von mises应力的最小安全因数达到6.17,该结果符合问题要求的技术指标。