【摘要】：腰椎間盤連接腰椎上下兩椎骨,具有傳遞載荷的作用,且在不同方向上有一定的活動度。長期機械負(fù)荷造成其局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中,組織水分丟失,蛋白多糖含量減少,髓核硬化。在外力作用下,纖維環(huán)受擠壓而膨出甚至破裂,髓核脫出或流出,導(dǎo)致腰椎間盤突出癥。臨床上對保守治療腰椎間盤突出癥無效的患者,常采用髓核摘除手術(shù)進行治療。由于椎間盤退變及髓核去除后,含水量減少,材料性能及力學(xué)環(huán)境、承載方式發(fā)生變化。因此,有必要研究退變及去除髓核后的腰椎間盤生物力學(xué)特性,為臨床上治療腰椎間盤突出癥提供理論依據(jù)。本課題從力學(xué)實驗和有限元仿真兩個方面研究了退變及去除髓核對腰椎間盤力學(xué)性能的影響。實驗以豬腰椎間盤為研究對象,采用胰蛋白酶處理模擬退變,將退變并去除髓核后的腰椎間盤作為實驗組,正常椎間盤作為對照組。為了在力學(xué)實驗中保證實驗試樣矢狀面法向上的約束,以更好地還原在體力學(xué)環(huán)境,設(shè)計并制作了一套實驗輔助夾具。對實驗組和對照組試樣施加不同大小和不同加載速率的壓縮載荷進行實驗,得到椎間盤的應(yīng)力-應(yīng)變特性、瞬時彈性模量和蠕變性能,并建立蠕變本構(gòu)模型。結(jié)果表明:兩組椎間盤應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系隨加載速率的增加,均呈非線性關(guān)系變化;實驗組應(yīng)變大于對照組,且隨著加載速率、壓縮載荷的增加而明顯增大;實驗組瞬時彈性模量受載荷和加載速率的影響較對照組大,其黏彈特性因盤內(nèi)液體含量的減少而降低,彈性增加,蠕變量增大;實驗組仍可以采用三參數(shù)固體模型描述蠕變本構(gòu)模型,預(yù)測腰椎間盤去核后的蠕變行為。采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究了腰椎間盤在軸向壓縮載荷作用下徑向應(yīng)變的分布規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)兩組椎間盤均向外膨脹,且背側(cè)區(qū)域膨脹幅度大于腹側(cè)。實驗組纖維環(huán)外層區(qū)域向外膨脹,且膨脹程度大于對照組;內(nèi)層區(qū)域向髓核區(qū)域膨脹,且膨脹程度小于對照組。應(yīng)變隨應(yīng)力呈非線性增長,實驗組應(yīng)變增長速率變化比對照組更加明顯。應(yīng)用ABAQUS軟件,建立了人體正常及去除髓核后的腰椎L3-L4節(jié)段多孔彈性有限元模型,采用了C3D10MP孔隙單元,研究了壓縮載荷大小以及不同載荷綜合作用下的腰椎間盤的蠕變響應(yīng)。仿真結(jié)果表明:在壓縮載荷作用下,纖維環(huán)的Mises應(yīng)力大于髓核區(qū),應(yīng)力集中布在背側(cè)外層;去除髓核后,應(yīng)力集中到背側(cè)內(nèi)層,且數(shù)值增大。腰椎間盤軸向蠕變曲線呈指數(shù)規(guī)律變化,去除髓核后蠕變應(yīng)變增大,且增幅隨著載荷的增大而增大,這與實驗結(jié)果基本一致。在壓縮和前屈載荷綜合作用下,腰椎間盤背側(cè)受拉,腹側(cè)受壓;在壓縮與后伸載荷綜合作用下,腰椎間盤背側(cè)受壓,腹側(cè)受拉;在壓縮與向左扭轉(zhuǎn)載荷綜合下,腰椎間盤左后方區(qū)域受壓,右前方區(qū)域受拉。去除髓核后,受壓側(cè)軸向應(yīng)力顯著增大。蠕變初期,蠕變應(yīng)變隨時間增長較快,1000s之后,蠕變曲線趨于平緩。去除髓核后,受壓區(qū)域蠕變應(yīng)變值顯著增大,受拉區(qū)域蠕變應(yīng)變值基本不變。
【圖文】：

相鄰的椎體通過腰椎間盤、前縱韌帶和后縱韌帶相連。腰椎間盤是骨，呈纖維軟骨性質(zhì)的組織，由中央的髓核（NP）,周圍的纖維環(huán)（AF）CED）組成，包含固相和液相組織，具有明顯的黏彈特性。有傳遞載荷、能，且在不同方向上有一定的活動度[1-2]。髓核位于終板和纖維環(huán)之間，是和蛋白多糖黏液樣基質(zhì)組成的彈性膠凍狀物質(zhì)構(gòu)成。嬰幼兒髓核含0%，到了老年，其含水量維持在 70%左右。髓核在椎體與上下終板間起液，直立時壓力加大，其內(nèi)含物中的液體可借滲透壓擴散至椎體，躺下時壓力減小，液體經(jīng)終板滲透至髓核。纖維環(huán)是一種由同心分布的薄層結(jié)構(gòu)所組,主要由非纖維基質(zhì)和分布其中排列整齊的膠原纖維構(gòu)成,纖維以 30°和 15椎體的橫截面上[3-4]。纖維環(huán)可以分為外層、中層和內(nèi)層，層間有黏合樣物固黏合在一起。纖維環(huán)結(jié)構(gòu)牢固，緊密附著于上下終板上，維持脊柱的穩(wěn)可使相鄰椎體有輕微活動，但當(dāng)運動達到一定限度時，纖維環(huán)張緊并起到制旋轉(zhuǎn)運動。上下終板為薄片狀，組成成分與關(guān)節(jié)軟骨較為相似，連接椎體。椎間盤的營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣通過軟骨終板從椎體滲入，上下終板與松質(zhì)椎體的松質(zhì)骨中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。

第一章 緒論長期應(yīng)力集中就會導(dǎo)致腰椎間盤突出癥。腰椎間盤通常以下腰痛、下肢麻木及下肢疼痛等為特征。近，特別是坐在電腦前的 IT 行業(yè)的員工，加班現(xiàn)象者迅速增加，且漸趨于年輕化。腰椎間盤的退變是生在腰椎的 L4-L5 節(jié)段與 L5-S1 節(jié)段,這也是腰椎區(qū)域[5]。椎間盤退行性變是由衰老、損傷、營養(yǎng)缺、功能起緩慢破壞作用的慢性過程。當(dāng)椎間盤發(fā)生水分逐漸減少，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)發(fā)生變化，使Ⅰ型, 髓核纖維化，，彈性降低[6]。在外力的作用下，髓核或破裂。纖維環(huán)破裂之后，髓核脫出或流出，壓迫無菌性炎癥，從而引發(fā)疼痛。
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R681.5;R318.01

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本文編號：2609075