联合CAD、FEM及3DP用于临床颅骨修补与三角抛物形带孔锁钮PEEK网的生物机械性能研究

摘要

对于脑外伤（硬膜下血肿、硬膜外血肿、颅内弥散性脑出血伴肿胀）、恶性脑梗死、颅骨或颅内肿瘤如大面积胶质瘤等患者，为挽救生命或保证良好的术后效果或降低病残率、病死率，常常需术中去除骨瓣。去骨瓣减压（Decompressive craniectomy DC）是去除骨瓣和（或）剪开脑膜，以增加潜在的颅腔内空间容纳肿胀的脑组织来降低颅内高压（intracranial hypertension）和预防脑疝（hernia of brain）。除此外DC还可提高脑灌注、脑血量（CBF）、脑血容量（CBV）、脑摄氧分数（OEF）及脑氧代谢率（CMRO2)（CBF=(MAP-ICP)/CVR=CPP/CVR)，但DC术后往往会出现颅骨缺损综合症，需要进一步行颅骨修补手术（cranioplasty），颅骨修补手术历史悠久，出现过颞肌外、颞肌下颅骨修补术，用到的修补材料有自体骨、异体骨、骨水泥、钛合金、Peek（Polyetheretherketone Peek）等，目前广被神经外科医师所采用的修补材料是三维钛网，因其组织免疫相容好，易塑性，无细胞、基因毒性，但植入后易出现翘网、拔钉、变形等风险，甚至可致钛网外露、颅内感染等严重并发症。Peek是一种相对较新的聚半结晶高温热塑性不可降解材料，是大分子主链由芳基、酮键和醚键组成的线性聚合物，具有耐辐射、耐腐蚀、耐高温、高抗压、高生物相容性、X射线可透射性等特征，生物机械性能突出。计算机辅助技术（computer-aided design CAD）可将人体结构数字化，经过三维重建和虚拟现实技术的处理，得到可以各个方向看得见的、能够自由调控的虚拟仿真人体模型“可视化3维1：1解剖模型”，此模型一方面可精确、直观详尽的显示病变及病灶周围的解剖，有利于医师更为全面的了解病变程度及解剖关系，另一方面可术前手术模拟，减低手术错误率、减少手术时间，提高治疗疗效。有限元分析法（Finite Element Methods FEM）是将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题，它具备高效性、有效性、操作简便性等特点，因此被广泛使用于临床复杂力学研究。3D打印技术（3D printing3DP）即快速成形技术，以数字模型为基础，运用材料粉末逐层打印的方式来制作植入体成体。联合CAD、FEM及3DP用于临床颅骨修补不仅可提高手术质量而且可改善预后。 三角抛物形带孔锁钮Peek网（triangular Parabolic knob Peek mesh with Hole Lock TPHLPM）是基于覆盖式三维钛网（Overlay three-dimensional titanium mesh OTDTM）和锲入式Peek网（wedge styple PEEK mesh WPM)而设计，目的是提高植入体的生物机械性能和植入后长期疗效，降低手术时间和手术可能潜在的风险。TPHLPM的设计思路源于国家实用性专利（专利号：2L201621158289.9)和申康专科疾病临床“五新”转化项目（ChiCTR-INR-16009392)。 目的：在本研究我们提出用Peek材料，采用CAD、FEM及3DP技术联合制作成形个性化定制颅骨修补体，修补体宏观设计是三角抛物形带孔锁钮网。同时用有限元分析法评估4种修补（OTDTM，WPM，三角抛物形带锁钮三维钛网(Triangular parabolic three dimensional titanium mesh with knob TPHLTM), TPHLPM）的生物机械性能。 方法：选取一名因左侧额颞顶部颅骨缺损需行颅骨修补的患者，应用CAD软件Mimics17.0及Matic8.0与FEM软件Ansys17.0联合设计用于该患者的三角拋物形带孔锁钮Peek网修补体。取一完整颅骨的CT影像学Dicom数据，反复导入Mimics17.0软件和3-Matic8.0软件以建立三维颅骨模型及行外伤大骨瓣减压术，至得到40个颅骨缺损模型，分成a.b.c.d组，每组10个，在Matic8.0等软件上为a.b.c.d组分别设计修补体OTDTM，WPM，TPHLTM，TPHLPM并行颅骨修补术，缺损颅骨和a.b.c.d组修补体依次导入ansys-workbench17.0软件，在修补体中心区域3.982cm2的面积上垂直加载一500N的静态力，拟模拟生活中重物或机动车冲击4种修补体时的受力情况。对比4种修补体和对应的缺损颅骨的应力分布，最大应力、应变分布以及最大位移。 结果：经应力-应变分析得到5锁钮三角抛物形带孔锁钮peek网最大应力（三角抛物形带孔锁钮网模型σ=5.7228e6mpa；缺损颅骨σ=4.1904e6mpa）及最大应变（三角抛物形带孔锁钮网模型ε=9.053e-7mm；缺损颅骨ε=1.9363e-7mm），相应的云图表示集中力分布相对均匀，5锁钮三角抛物形带孔锁钮peek网网厚1mm，面积21.6mm2,孔直径2mm。在500n的载荷力下4种修补体及缺损颅骨均无现爆裂或者变形。OTDTM组、TPHLTM组应力集中于颅底颞部、眶部、植入体与缺损骨缘接触区及修补体着力点；WPM组应力集中在额顶部、修补体着力区、颅底颞部和钛条上；TPHLPM组的结果类似于WPM组，不过无见三角抛物形带孔锁钮网明显应力集中。修补体OTDTM、WPM、TPHLTM、TPHLPM的平均σ值和ε值分别是243.800mpa、21.002mpa、386.2001mpa、2.731mpa和0.1644mm、0.0825mm、0.2782mm、0.0828mm。缺损颅骨TPHLTM组的平均σ等于6.039mpa,平均ε为0.0408mm，缺损颅骨TPHLPM组的平均σ和平均ε对应为1.829mpa、0.0175mm。 结论：三角拋物形带孔锁钮Peek网行颅骨修补既保证了植入后生物力学高性能又恢复患者的原始美观，而修补体的形态结构可在MIMICS和MATIC软件上根据患者的解剖缺损定制修补体。

目录

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中英文缩略词表

第1章 引言

1.1 去骨瓣减压术后导致颅骨缺损

1.2颅骨修补术的应用及材料选择与存在缺陷

1.3 CAD、FEM及3D打印的定义及临床应用

1.4 本研究的思路

第2章 实验材料对比

2.1 钢珠冲击实验

2.2 三维钛网和PEEK网植入后效果随访对比

第3章 实验材料与方法

3.1 实验材料

3.1.1 数据来源

3.1.2 实验仪器

3.1.3 应用软件

3.2 实验方法

3.2 实验方法2

第4章 实验结果

4.1 三角拋物形带孔锁钮PEEK网

4.2 4种不同颅骨修补体的生物机械性能

第5章 讨论

第6章 结论

致谢

参考文献

综述: 颅骨修补术的研究现状与展望