椎体爆裂骨折仿生微创手术器械设计

摘要

微创手术具有创伤小、出血少、恢复快等特点，已成为当代医疗技术发展的一个重要方向。作为微创手术的一个部分，脊柱微创外科的发展也越加迅猛。但是，针对具有椎体后壁骨折、碎骨侵占椎管的B型脊椎爆裂性骨折，目前多采用传统开放式手术治疗，微创手术难以发挥优势。
　　本文针对B型胸腰椎爆裂性骨折的微创手术需求，设计了相应的微创手术器械。该器械可通过椎弓根通道进入椎体内腔，消除侵入椎管的碎骨，对椎体骨折的后壁进行重建。为使器械前端的夹持钳在椎体内腔狭小空间内可对碎骨进行牢固夹持，本文模仿鳄鱼颌骨特殊力学结构，对夹持钳结构进行了仿生设计，有效提高夹持钳的强度和夹持可靠性。采用逆向工程方法，结合Minics、Geomagic和Solidworks三种软件，对鳄鱼颌骨进行三维实体重构，使用有限元法分析其颌骨结构特点，提取能增大颌骨整体结构强度的骨骼力学特征，用于对所设计的器械夹持钳进行结构优化。为实现夹持钳两个部分的运动，采用连杆作为运动的传输机构，保证了力传递过程中的稳定性;采用螺栓作为驱动部件，保证了夹持钳定位过程中的准确性;采用手柄作为驱动部件，保证了夹持钳在闭合过程中较大夹持力的产生。根据传动部件和执行部件的运动要求，设计主体结构，形成完整的器械整体;整体的结构设计满足了手术的要求，同时，部分结构的优化设计使得器械的功能更加完善。
　　本文还根据B型胸腰椎爆裂性骨折的形成机理，采用人工处理的方法和压缩实验的方法得到了羊椎骨、牛椎骨和人椎骨的爆裂性骨折模型;探究了B型爆裂性骨折模型制备过程中的一些重要因素;通过所设计的微创手术器械对骨折模型进行微创手术，验证了手术器械的功能。

目录

论文说明

声明

摘要

1 绪论

1．1 本文的研究背景、意义和国内外现状

1．1．1 传统开放式脊柱骨折手术的局限性

1．1．2 脊柱微创手术及器械的发展现状和意义

1．2 本文的主要研究内容

2 仿生夹持钳设计

2．1 微创手术器械夹持钳设计

2．2 基于反求工程的动物颌骨三维实体重建

2．2．1 动物头骨点云数据获取和处理

2．2．2 动物头骨曲面模型构建

2．2．3 三维实体模型重构

2．3 暹罗鳄头骨的有限元分析

2．3．1 Ansys workbench简介

2．3．2 暹罗鳄有限元分析及对比

2．4 仿生夹持钳设计

2．4．1 暹罗鳄实体尺寸大小的仿生结构设计

2．4．2 用于微创手术器械尺寸大小的仿生结构设计

2．5 本章小结

3 微创手术器械整体设计

3．1 夹持钳的运动部分设计

3．1．1 运动端链接部分

3．1．2 运动端连杆部分

3．1．3 手柄Ⅰ

3．1．4 夹持钳运动部分结构优化

3．2 夹持钳的定位部分设计

3．2．1 定位端链接部分

3．2．2 定位端连杆部分

3．2．3 螺栓及螺栓端盖部分

3．3 器械主体部分设计

3．3．1 主体设计

3．3．2 封装块设计

3．4 微创手术器械整体设计方案

3．5 本章小结

4 微创器械椎体骨折重建实验

4．1 羊椎骨开放性实验

4．1．1 羊椎骨的初步处理

4．1．2 手术器械的羊椎骨模拟实验

4．1．3 羊椎骨模拟实验结论

4．2 牛椎骨爆裂性骨折实验

4．2．1 人工爆裂性骨折方法

4．2．2 牛椎骨B型爆裂性骨折模拟实验

4．2．3 手术器械的牛椎骨的模拟实验

4．2．4 牛椎骨模拟实验结论

4．3 仿人椎骨爆裂性骨折实验

4．3．1 椎体椎管内部模拟再造

4．3．2 B型胸腰椎爆裂性骨折模拟

4．3．3 手术器械的人椎骨模拟实验

4．3．4 人椎骨模拟实验结论

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢