临床医学论文-脊柱侧弯应用PRSS矫正过程中的力学性能研究.doc

临床论文——PRSS矫正过程中脊柱侧凸的力学特性研究【摘要】脊柱侧凸发生时，椎体和椎间盘呈楔形改变，凹侧低凸侧高，导致两侧受力不对称；但经过PRSS侧推矫正后，不对称应力相应减小。 本实验通过模型实验研究了PRSS矫正脊柱侧凸的力学行为。 【方法】椎体模型为铝制，椎间盘和韧带模型材料为聚碳酸酯。建立5个椎体和4个椎间盘的脊柱模型，模拟轻度脊柱侧凸。纵向载荷分别为0公斤、5公斤、10公斤、15公斤和20公斤，横向载荷分别为0公斤、3公斤、6公斤、9公斤和12公斤。 根据原型修正过程的载荷进行加载试验，并用光弹性法和应变电测法测量模型应力。 利用有限元ANSYS软件进行模拟，验证实验的可靠性 [结果]脊柱施加矫正力后，脊柱处于纵向力和横向力共同作用的状态，界面处的法向应力分布发生明显变化。凸侧的法向压应力增大，凹侧的压应力减小，并可转化为拉应力。 拉伸应力值与校正力成正比。 在一定的矫正力下，模型凹侧的压应力逐渐减小，直至出现拉应力，而凸侧仍为压应力，应力值大于施加矫正力前。 【结论】在PRSS矫正脊柱侧凸的过程中，随着矫正力的增加，凸侧的压应力增加，而凹侧的压应力迅速降低并能产生拉应力，能促进凹侧骨的生长，抑制凸侧骨的生长，使脊柱长直，从而达到矫正脊柱侧凸的目的。 [关键词]脊柱侧凸内固定器的光弹性电测法摘要:[目的]应用PRSS (P late-rod脊柱侧凸矫形系统)可逆转脊柱侧凸湿椎和开放凸侧椎间盘间隙的脊柱侧凸。为了研究PRSS脊柱侧凸矫正术的力学性能，进行了光弹性试验。[方法]用铝和聚碳酸酯制作由5个椎体和4个椎间盘组成的模型，模拟低度脊柱侧凸的情况。轴向应力分别加载0 kg、5kg、10 kg、15 kg、20 kg，侧向载荷在脊柱上方分别为0 kg、3 kg、6 kg、9 kg、12 kg。根据实际情况，采用光弹性和应变片法测量地应力。利用ANSYS9.0软件对实验过程进行了模拟，并对测量结果的可靠性进行了评估。[结果]植入PRSS后，在弯曲的凸侧产生压应力，而在凹侧产生拉应力，从而调节脊柱的骨生长，导致脊柱的重新排列。[结论]PRSS是一种治疗脊柱侧凸的有效器械，尤其适用于儿童，不仅可以矫正畸形，而且可以随着儿童的生长发育而延长。关键词:脊柱侧凸；PRSS(用于脊柱侧凸的板-棒系统)；光弹性方法；应变片的临床观察表明，脊柱侧凸发生时椎体和椎间盘均有低凹侧高凸的楔形改变，尤其是椎间盘，造成两侧受力不对称。但侧推矫正后，椎间盘楔形减小，凹侧增大，凸侧减小，非对称应力相应减小。 椎体的生长主要来自终板软骨。以往国内外的相关研究多为显微镜下脊柱侧凸脊柱的病理形态学和不对称应力下脊柱两侧生长高度的影像学测量，而对不对称应力大小与脊柱侧凸角度关系的研究较少。 为了研究PRSS矫正脊柱侧凸过程中的力学行为，利用相似原理设计了脊柱侧凸模型和矫正夹具。根据原型修正过程的载荷，进行加载试验，用光弹性法和应变片法测量模型应力。 利用有限元ANSYS软件进行模拟，验证实验的可靠性 材料与方法用光弹性实验测量应力，需要用模型来研究实际结构(脊柱)的应力分布。为了保证简化过程中的可靠性，需要建立模型与实物之间的物理相似关系。 在保证应力应变曲线和泊松比相似的前提下，根据几何相似和载荷相似的原则建立模型。 1.1模型1.1.1建立脊柱的生物力学模型。各单元椎体与椎间盘的界面通过软骨板环与椎体的骨骺骨连接，它们的侧面通过前后纵韧带和纤维环连接以承受传递载荷[1] 由于骺核是一种粘性流体，只能承受压力，压力可以直接在椎间盘和椎体之间传递[2，3] 当脊柱受到轴向和横向(包括弯曲)载荷时，拉力和剪切力通过韧带和纤维环传递，椎体和椎间盘可发生滑移。因此，脊柱的力学模型可视为多组椎体-椎间盘组合的复合模型。 脊柱侧弯主要是指侧向变形。 本研究采用二维光弹性实验定性分析脊柱侧凸过程中的应力变化，根据载荷平面内的相似原理，将脊柱(椎体和椎间盘)的三维实体模型简化为二维力学模型，通过几何相似、刚度相似和载荷相似建立实验模型。 1.1.2研究脊柱在内固定器下的力学行为。以腰椎节段的部分为测试对象。脊柱的负荷主要由人体重量和韧带的拉力，以及运动时的弯矩(或侧向力)组成。 为了研究脊柱侧凸矫正过程的力学行为，模型选取了由椎体和椎间盘单元组成的平面结构，椎体和椎间盘的界面用特殊的粘性流体(仅承受压力)模拟髓核的作用，使界面可以滑动，椎体和椎间盘的连接用软性材料将单元体的两侧粘合起来，模拟韧带和纤维环的作用。 可以在模拟的夹具内固定器上加矫正载荷(横向载荷)，也可以在模型上加纵向载荷，模拟人体重量等综合纵向载荷。 1.1.3模拟脊柱在矫正过程中的力学行为，满足几何形状和载荷相似的条件:由于椎体的弹性模量与椎间盘、韧带和纤维环的弹性模量差异较大(前者E=14 GPa，后者E=500 MPa)，因此模型材料也应选择相应弹性模量比的材料，椎体的模型材料应选择铝，椎间盘和韧带的模型材料应选择聚碳酸酯(它们的弹性模量分别为72 GPa和2.4 GPa)。 椎体和椎间盘均选用侧断面形状，模拟轻度脊柱侧凸。椎体的截面为矩形30毫米18毫米，椎间盘的截面为梯形(5毫米)，倾角为1°和2°，它们的厚度为10毫米。 当荷载相近时，考虑纵向压缩荷载和横向修正荷载的综合作用。 试验载荷的大小根据载荷相似条件Pm=PpEmFm/EpFp确定(P为载荷，E为材料的弹性模量，F为横截面积，带M的下标为模型值，P为原型值) 为了研究截面尺寸对应力的影响，纵向载荷分别为0 kg、5 kg、10 kg、15 kg和20 kg，横向载荷分别为0 kg、3 kg、6 kg、9 kg和12 kg。 根据上述分析，建立了一个具有5个椎体和4个椎间盘的脊柱模型。 根据该模型的特点和临床手术中的加载固定方式，专门设计了该模型的加载装置，包括杆板、固定螺栓等。 可以添加矫正载荷(侧向载荷)来模拟夹具内固定器，也可以对模型施加综合纵向载荷来模拟人体重量、韧带等综合纵向载荷。 如图1所示 1.2实验原理及过程电测法的基本工作原理是，通过测量某一点的应变，可以得到该点的应力状态。 电测量有许多独特的优势，它仍然是实验应力分析中最广泛使用和适应性最强的方法之一[4] 它具有测量精度高、适用范围广、测试仪器便携、应变片小巧轻便、粘贴方便等优点，适用于各种复杂环境。 但是，它也有一些缺点:它只能测量某一点的应力。 由于椎体的模型是铝制的，无法进行光弹性试验，所以采用电测法观察载荷变化过程中的应力变化。 图1模拟PRSS手术矫正加载装置光弹性实验的基本原理是利用偏振光通过应力模型产生人工双折射光学现象，产生彩色干涉条纹。模型的应力大小和方向可以通过计算得到，实体的应力分布规律可以由相似原理转换而来。其特点是直观地显示全场的应力分布规律，给出定量的应力数据，是一种非常有效的机械应力分析方法[5，6] 将电阻应变计贴在椎体和韧带模型上测量应变。 用应变片测量椎体凹侧、椎体凸侧和凹侧韧带沿模型厚度方向的应变，贴上9个电阻应变片。 应变片通过导线与静态应变片连接。本实验采用“UCAM-10A”数据采集器(日本共和电力公司生产)，仪器的刻度为0.1%，分辨率为1με。 UCAM-10A数据采集器具有多点快速测量功能，可自动完成数据采集和处理，并实时打印测量结果。 在加载测试的同时，分段采集并存储应变值，完成与计算机的通讯，最后由应变值计算出应力值。 根据光弹性仪的加载装置和模型的实际情况，采用409-II型大视场平行光光弹性仪(北京科学仪器的产品)放置专用加载支架，脊柱模型固定在其力架上，投影光源为白光。光线经过一组偏振片后，投射在聚碳酸酯模型上产生等色干涉条纹，将模型平面在各种应力条件下的彩色数字图像逐一拍摄下来，输入计算机。 将模型安装到加载设备中。在初始状态下，模型没有载荷。 保持侧向载荷不变，轴向载荷从0 kg-5 kg-10 kg-15 kg-20 kg。这个过程可以模拟在脊柱侧凸的情况下，人体重量和其他载荷对脊柱应力分布的影响。 轴向载荷恒定在20公斤，横向载荷从0公斤-3公斤-6公斤-9公斤-12公斤。这个过程显示了PRSS矫正力逐渐增大时脊柱的应力分布。 光弹性测量和电学测量同时进行，并记录每种载荷下的所有应变和等色图。 2实验结果及分析2.1电学测量电学测量得到的椎体模型应力随载荷的变化情况见图2。 图2a应力对轴向载荷曲线图2b应力对侧向载荷曲线表明，随着轴向载荷(如体重)的增加，凹侧和凸侧的压应力增加。 从图2a可以看出，凹曲线的斜率远大于凸曲线，即凹曲线的压应力增长率远大于凸曲线。这种应力分布的结果表明，如果发生脊柱侧凸，脊柱侧凸往往会加重。 2.2光度模型在双正交圆偏振光领域，模型受力后出现等色干涉条纹，反映应力分布。在保持20 kg纵向载荷不变的情况下，逐渐施加横向载荷，模型上某一点的主应力差与该点的等差干涉条纹级数成正比，即σ1-σ2=Nf/h公式，σ1-σ2代表主应力差；所述n个等差干涉条纹系列；f代表模型材料的条纹值，由实验测得；h代表模型的厚度。 本实验使用的模型材料是固定的，所以F和H都是常数。在模型边界，垂直于边界面的主应力σ 2等于0。 因此，等差线干涉条纹的阶数n可以直接反映模型中某一点主应力的大小。 典型的光弹性试验结果如图3所示，根据相似原理计算的应力结果如图4所示。 图3 20 kg轴向光弹性干涉条纹图4由光弹性结果计算的椎间盘模型边界应力图3和图4反映了椎间盘软骨模型在20k g轴向载荷和不同侧向载荷下的应力分布。 模型中椎间盘上下边界的应力反映了骺骨和椎间盘软骨的应力。虽然两个值不同，但分布规律是一样的。 实验结果表明，随着轴向载荷的增加，椎体凸侧、凹侧和凹韧带上的压应力增加，但椎体凹侧的压应力增加幅度较大，说明凹脊柱在矫正前承担了大部分纵向载荷。当保持一定的纵向载荷(20 kg)不变时，随着侧向矫正力的增大，椎体凸侧的压应力增大，而椎体凹侧的压应力迅速减小并趋近于零。 外侧韧带本身受力较小，变化幅度也较小。 模型加载后，椎间盘模型上下边界上的应力为垂直于边界的法向应力和边界面上的切向应力。 因为髓核只是传递压力，切向应力主要是由椎体的倾斜引起的。当纵向载荷单独作用时，界面上的法向压应力相对均匀。纵向载荷增大时，压应力增大，但应力值较小。 脊柱受矫正力后，脊柱处于纵向力和横向力共同作用的状态，界面处的法向应力分布发生明显变化。凸侧的法向压应力增大，凹侧的压应力减小，并可转化为拉应力。 说明在内固定器PRSS的作用下，椎体上下骺骨和椎间盘软骨板凹侧的法向压应力会产生拉应力，拉应力值与矫正力成正比。 2.3有限元模拟为了验证实验的可靠性，参照简化的脊柱模型建立了弹性有限元计算模型，并利用ANSYS 9.0工具软件进行了相应的分析。 实验中的铝材料用来计算中间椎体的材料参数，而椎间盘是聚碳酸酯，两者的界面是接触面，可以做相对运动。 但两侧椎体与椎间盘之间有连接，模拟纤维环或韧带的约束作用。 两端约束模式模拟手术和实验中的实际情况，允许一端沿长度方向自由移动。 图5显示了脊柱模型受到轴向载荷后椎体和椎间盘的应力分布。 从图中可以看出，模型应力主要是压应力，凹侧(图中暗区)的压应力值大于凸侧。 图6模拟了在保持轴向载荷不变的情况下，手术矫正力施加在凸侧的情况。可以看出，在一定校正力的作用下，模型凹侧的压应力逐渐减小，直至出现拉应力(图中凹侧的暗区)，而凸侧仍为压应力，应力值大于施加校正力前。 图5垂直载荷作用下椎间盘模型的边界应力图6垂直载荷和侧向载荷共同作用下椎间盘模型的边界应力从计算结果分析，修正后脊柱的应力分布有本质的不同，凹侧的压应力减小并逐渐转变为拉应力，而凸侧的法向压应力增大。 说明在内固定器PRSS的作用下，椎体上下骺骨和椎间盘软骨板凹侧的法向压应力会产生拉应力，拉应力值与矫正力成正比。 目前根据有限元分析，虽然采用的材料模型还仅限于与实验模型对比，但如果能考虑人体结构和生物材料的特点，就可以在此基础上进行更深入的分析，从而更好地揭示脊柱在矫正过程中各部分的应力分布和变化。 讨论3.1矫正脊柱侧凸的原理PRSS由钛合金制成的弹性板棒、圆棒、各种横向连接件和钉钩组成。 矫正时，用钉钩将固定横连器固定在计划矫正范围内的上下椎体上，然后在凸侧依次放置弹性板棒和凹侧放置圆棒，形成一个长方形矫正架。 此时，弹性钢板侧推脊柱侧凸凸侧的棘突，矫正大部分脊柱侧凸畸形，下压凸椎板，矫正部分脊柱侧凸旋转畸形。然后在上下中钩处增加活动连接体，收紧两侧活动连接体上的“[]”形夹子，进一步闭合圆杆和板杆，进一步矫正脊柱侧凸。 拧紧凹钩钉杆上的螺母，拉起凹椎板(类似C-D，TSRH等。通过转动钩子向后拉起椎板)，从而产生反旋转效果。 棍子上端用螺栓固定，下端穿过下固定横接头圆孔的下一段长度，不固定，可以随着儿童脊柱的生长向上延伸[7] 根据休特-沃克曼定律，是骨痂压力的规律:当骨痂上的压力增大时，骨骼的生长就会受到抑制；当骨鳞受到的压力减少时，骨骼的生长就会加快。 这是PRSS通过调整脊柱侧凸两侧的不对称应力，使椎体两侧不对称生长来矫正脊柱侧凸的机制。 3.2力学分析本次实验采用了电测和光弹性法相结合的方法，充分发挥了两种方法的优势，并用有限元分析相互验证。三种方法的结果基本一致，保证了实验结果的可靠性。 该模型模拟了内固定器PRSS矫正过程中腰椎的力学特性，能够定性反映椎体和椎间盘在相应载荷状态下的力学行为。 模拟人体重量等活动引起的脊柱纵向力和内固定器PRSS矫正脊柱侧弯时的矫正力(侧向力)。 实验得到的模型应力分布显示了PRSS矫正过程中人体脊柱、椎体和椎间盘软骨的应力分布规律。 在脊柱侧凸的情况下，由于应力分布的不平衡，凹侧的压应力大于凸侧，进一步抑制了凹侧骨的生长，使脊柱侧凸趋于恶化。 在用PRSS矫正脊柱侧凸的过程中，随着矫正力的增加，凸侧的压应力增加，而凹侧的压应力迅速下降并能产生拉应力，能促进凹侧骨的生长，抑制凸侧骨的生长，从而使脊柱长直，达到矫正脊柱侧凸的目的。 [参考文献] [1]潘加比mm，Krag m，Summer D，等.新鲜尸体人脊柱标本的生物力学时间耐受性[J].ORTHORES杂志，1985年，3。292-300.[2]，侯，，。脊柱内固定后相邻节段椎间盘胶原变化的实验研究[J].中国骨科杂志，2001，15: 475-477。[3] Race A，Bromnd，Robertson p .加载速率和水化对椎间盘力学性能的影响[j].脊柱，2000，25: 662-669。[4]李英姿，王海波，张莉[J].哈尔滨理工大学学报，1998，3: 101-103。张爱萍，王鹤鸣，徐树亮，等.腰骶关节模型的光弹性和有限元实验研究[J].中国临床康复，2004，29: 6367-6369。[6]王向阳。影响脊柱植入物体外稳定性试验的因素[J].中国骨科杂志，2001，12: 1213-1215。[7]叶启斌，王，张佳，等.中国通用脊柱内固定器的研制、实验研究及临床应用[J].中国骨科杂志