基于鳄鱼吻部力学特征的仿生微创手术器械

摘要

针对椎板后壁破裂、骨块侵入椎管并压迫神经的B型胸腰椎爆裂性骨折，微创手术治疗仍有一定的局限性。由于椎体内操作空间狭小，微创器械夹持钳的尺寸受到限制，其力学性能和夹持碎骨的可靠性均难以满足要求。因此，本文提出了一种基于鳄鱼吻部力学特征和齿形特征的微创椎内复位钳。在内窥镜的辅助下，椎内复位钳可以清除侵入椎管内的骨块，完成椎管减压和椎体后壁重建。
　　针对椎内复位钳体积小、结构刚度大的要求，以暹罗鳄头骨为仿生目标，利用Mimics、Geomagic和SolidWorks对鳄鱼头骨进行三维重构，利用ANSYS进行头骨特征的生物力学分析，得到可以用于仿生结构设计的头骨特征；根据仿生原理进行椎内复位钳的结构设计，并利用ANSYS对其进行结构参数优选。为保证椎内复位钳拥有夹持可靠性，根据鳄鱼牙齿的形态特征和分布进行仿生夹钳齿的设计。
　　为验证所设计的椎内复位钳的力学性能，对复位钳所能承受的最大夹持力进行测量，运用数字图像相关法对椎内复位钳与其对比模型进行刚度测试。结果表明，具有仿生结构的复位钳刚度更大，机械性能得到明显提升。为验证椎内复位钳的夹持可靠性，分别进行仿生齿、三角形齿和波形齿与骨块间摩擦系数与滑脱系数的测定，结果表明，相对其他两种齿形，仿鳄鱼夹钳齿与骨块间的摩擦系数更大，滑脱系数更小，具有更高的夹持可靠性。
　　对仿生微创手术器械的可操作性进行评估。利用压缩法得到牛椎骨的B型爆裂性骨折标本，通过人工破坏法得到人椎骨的B型爆裂性骨折标本；运用内窥镜作为术中照明和成像设备，进行仿生微创手术器械的体外模拟实验。结果表明，仿生椎内复位钳器械具有使用的可靠性和灵活性。
　　本文设计的仿生微创手术器械模仿鳄鱼吻部的生物力学特征，提高其机械性能，并能够在椎体狭小的空间内移动碎骨。这项研究对微创手术代替后路开放式手术治疗B型胸腰椎爆裂性骨折提供了可能性。

目录

声明

1 绪论

1.1 脊柱开放手术

1.2 脊柱微创手术及器械

1.3 本文主要研究内容

2 脊柱微创椎内复位钳的仿生设计机理

2.1 仿生机理

2.2 暹罗鳄头骨三维重构

2.3 暹罗鳄吻部特征的生物力学分析

2.4 本章小结

3 微创椎内复位钳的仿生结构设计

3.1 微创椎内复位钳的结构要求

3.2 仿生椎内复位钳结构的设计

3.3 仿生椎内复位钳夹持面齿形设计

3.4 本章小结

4 微创椎内复位钳力学性能分析

4.1 复位钳结构刚度的测试

4.2 夹钳齿可靠性的验证

4.3 本章小结

5 微创椎内复位钳在爆裂骨折重建中的应用

5.1 内窥镜在微创手术中的应用

5.2 牛椎骨骨折重建实验

5.3 仿人椎骨骨折重建实验

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢