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摘要
基于均匀化方法与全局拓扑优化的多孔椎间融合器设计
在临床中应用椎间融合术可以为患有颈椎退变性疾病的患者减压;恢复患者
椎间高度;重建患者的脊柱稳定性。椎间融合器设计理念由简单的可用结构向符
合脊柱解剖特征发展,使每一位患者都能得到术后融合效果可靠的椎间融合器。
个性化设计可以保证融合器在患者体内的稳定性和防下沉性能。本文主要从个性
化设计的角度对椎间融合器的三维结构进行了研究。
本文利用软件Mimics和Geomagics建立了患者颈椎的C4-5节段有限元模型,
并通过分析正常直立工况下的颈椎椎体转动角度和椎间盘应力分布对有限元模型
进行了验证。利用软件Optistruct对2种初始设计结构(箱形和椭圆体)进行了拓
扑优化,由于拓扑优化设定的体积分数分别为50%和30%,最终得到了4种椎间
融合器设计构型,即50%体积分数、30%体积分数的箱形融合器和50%体积分数、
30%体积分数的椭圆体融合器。利用均匀化方法得到了两类(立方体胞元、Schwarz
胞元)共6个胞元的刚度矩阵,最终得到了4×6也就是24种融合模型。最后利
用软件Abaqus完成了融合器的生物力学评价。
通过生物力学评价可以发现:1)胞元的孔隙率越大,刚度越低,造成的应力
遮挡效应越小,这有助于患者手术部位的康复;2)拓扑优化设计得到的构型是可
靠的,但需要注意二次设计会改变结构的力学性能,配合高孔隙率的胞元可能导
致结构失效;3)相较于植入箱形融合器的椎体,植入椭圆体融合器的椎体植骨床
最大VonMises应力更低,这说明植入椭圆体融合器可以降低椎体沉降风险;4)
Schwarz胞元填充的融合器无论是椭圆体构型还是立方体构型,都拥有更高的植骨
块最大VonMises应力,这说明Schwarz胞元可以促进骨融合。而立方体胞元填充
的椭圆体构型融合器使植骨床拥有更低的最大VonMises应力,这说明选择立方体
胞元填充椭圆体融合器可以最大程度上降低椎体沉降风险,立方体胞元与Schwarz
胞元各有其优点。
本文利用有限元方法,发现相同孔隙率下,立方体胞元的屈服强度低于
Schwarz胞元的屈服强度;经过生物力学评价,发现与箱形融合器相比,植入椭圆
体融合器可以降低椎体沉降风险。本文为患有颈椎退行性疾病的患者个性化定制
了多孔椎间融合器,可以恢复患者椎间高度,确保了植入后的稳定性,本文为设
计定制型椎间融合器提供了一种新的方法。
关键词:椎间融合器,均匀化方法,拓扑优化,多孔结构,有限元分析
Abstract
DesignofPorousInterbodyFusionDeviceBasedon
HomogenizationMethodandGlobalTopologyOptimization
Interbodyfusionisusedinclinicstodecompresspatientswithcervical
degenerativedisease.Restoretheheightofthepatientsinterbody;reconstructionof
spinalstabilityofthepatient.Thedesignconceptoftheinterbodyfusiondevicehas
beendevelopedfromasimpleusablestructuretoconformtotheanatomical
characteristicsofthespine,sothateverypatientcanobtainareliablepostoperative
fusiondevice.Personalizeddesigncanensurethestabilityandanti-sinkingperformance
ofthefusiondeviceinpatients.Inthisdissertation,
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