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    一種無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與優(yōu)化*

    2019-04-20 06:45:46張立爭(zhēng)張劼葉萍常兆華
    生物醫(yī)學(xué)工程研究 2019年1期
    關(guān)鍵詞:外徑假體規(guī)格

    張立爭(zhēng),張劼,2,葉萍,常兆華,2△

    (1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院 教育部微創(chuàng)醫(yī)療器械工程中心,上海 200093; 2.上海微創(chuàng)醫(yī)療器械(集團(tuán))有限公司,上海 201203)

    1 引 言

    青少年四肢由于惡性骨腫瘤或意外導(dǎo)致的自體骨切除治療,使患肢失去了原有的骨性支持及周邊軟組織,而青少年正處于青春發(fā)育期,健肢仍繼續(xù)生長(zhǎng),造成肢體不等長(zhǎng),體型異常,給患者生活帶來(lái)極大不便[1-3]。下肢不等長(zhǎng)不僅嚴(yán)重影響步態(tài)和功能,還可引起骨盆傾斜、非正常應(yīng)力所致關(guān)節(jié)損害等一系列并發(fā)癥[4-5]。以往的固定長(zhǎng)度假體雖然能代替自體骨,但其長(zhǎng)度不能變化,長(zhǎng)期使用無(wú)法解決患者肢體不等長(zhǎng)的問(wèn)題??裳娱L(zhǎng)假體作為自體骨切除的人工置換假體,既能為患肢提供堅(jiān)強(qiáng)支持,又能有效延長(zhǎng)肢體[6-7],為解決上述兩大難題提供了有效方案。

    可延長(zhǎng)假體置換最大的問(wèn)題在于假體需不斷延長(zhǎng),組合型假體是最早出現(xiàn)的一種可延長(zhǎng)假體,它是通過(guò)調(diào)換更長(zhǎng)的假體組件完成假體延長(zhǎng),見(jiàn)圖1a,每次延長(zhǎng)需行二次外科手術(shù),增加手術(shù)并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn),給患者增加不必要的創(chuàng)傷和痛苦,影響患者生活與學(xué)習(xí)[8-9]。后期發(fā)展的微創(chuàng)可延長(zhǎng)假體雖然手術(shù)創(chuàng)口小,但仍未達(dá)到無(wú)需手術(shù)的目的[10]。無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體作為新一代的可延長(zhǎng)假體,由于其植入后延長(zhǎng)過(guò)程無(wú)需外科手術(shù),無(wú)創(chuàng)傷,優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn),目前僅限于美國(guó)、澳大利亞等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家,國(guó)內(nèi)鮮有無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體研發(fā)相關(guān)報(bào)道,見(jiàn)圖1b。我們研究了一種新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu),通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元分析和物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得出優(yōu)化延長(zhǎng)結(jié)構(gòu),為無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

    圖1 延長(zhǎng)假體示意圖

    (a).earlyextendableprosthesisextendedschematicdiagram; (b).thenewtypeofnoninvasiveextendableprosthesisextendedschematicdiagram

    2 新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    2.1 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體內(nèi)部核心的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中包括移動(dòng)管和限動(dòng)管,見(jiàn)圖2,移動(dòng)管為一端設(shè)有凸起結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的鈦合金管,限動(dòng)管選用材料粘彈性能強(qiáng)的聚縮醛管[11],其中凸起結(jié)構(gòu)A嵌壓在限動(dòng)管體內(nèi),是承受載荷的關(guān)鍵位置,而結(jié)構(gòu)B有若干個(gè)鏤空的長(zhǎng)型槽,使移動(dòng)管形成周向非連續(xù)體,當(dāng)假體延長(zhǎng)時(shí),使凸起結(jié)構(gòu)A溫度升高,而結(jié)構(gòu)B可有效阻擋熱量傳遞至移動(dòng)管其他部位,避免能量流失。同時(shí)在移動(dòng)管管腔C內(nèi)設(shè)有壓縮狀態(tài)的鈦合金彈簧,作為延長(zhǎng)的內(nèi)動(dòng)力源。

    圖2 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

    2.2 延長(zhǎng)機(jī)制

    新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體的延長(zhǎng)機(jī)制,概括為軟化、延長(zhǎng)和冷卻三個(gè)過(guò)程。當(dāng)假體需要延長(zhǎng)時(shí),把能產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)的線圈置于移動(dòng)管凸起部位的肢體體表,設(shè)置特定高頻電磁場(chǎng)加熱。移動(dòng)管凸起部位的溫度超過(guò)一定值時(shí),接觸凸起部位的聚縮醛材料開(kāi)始軟化,失去對(duì)移動(dòng)管凸起部位的嵌壓作用,依靠壓縮彈簧的勢(shì)能儲(chǔ)備,把移動(dòng)管從限動(dòng)管中頂出,假體的總長(zhǎng)度得以延長(zhǎng)。通過(guò)在X射線下觀察移動(dòng)管上的顯影點(diǎn),判斷延長(zhǎng)的長(zhǎng)度,當(dāng)體外高頻電磁場(chǎng)作用一旦停止,整個(gè)假體得以冷卻,冷卻后的限動(dòng)管在一個(gè)新的部位對(duì)移動(dòng)管凸起部位繼續(xù)產(chǎn)生嵌壓作用,延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)得以固定。假體每次延長(zhǎng)的最小長(zhǎng)度可控制<1 mm,完全滿足實(shí)際單次延長(zhǎng)5~10 mm的需求。

    其中移動(dòng)管的凸起與限動(dòng)管的嵌壓結(jié)構(gòu)是本延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的重點(diǎn),為了研究?jī)烧叩呐浜详P(guān)系,假定限動(dòng)管外徑21.5 mm內(nèi)徑17.5 mm為確定的條件不變,根據(jù)嵌壓的不同程度和延長(zhǎng)可靠性分析,移動(dòng)管凸起外徑φ的大小,決定假體負(fù)載力的大小,而移動(dòng)管凸起角度γ的大小,又影響假體延長(zhǎng)的可靠性,兩者息息相關(guān)。為了探究移動(dòng)管凸起外徑φ和凸起角度γ兩個(gè)變量參數(shù)的最優(yōu)組合,見(jiàn)圖3,按等分原則選出9種延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)做負(fù)載能力和延長(zhǎng)有效性分析,見(jiàn)表1。

    圖3 移動(dòng)管凸起外徑和凸起角度變量示意圖

    表1 九種移動(dòng)管延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)格

    3 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的有限元分析

    3.1 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)測(cè)試模型的建立

    在三維設(shè)計(jì)軟件PRO/E中建立延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)靜態(tài)測(cè)試的三維裝配模型,見(jiàn)圖4。限動(dòng)管采用有限元分析軟件ABAQUS中六面體雜交單元網(wǎng)格C3D8H進(jìn)行劃分,移動(dòng)管采用ABAQUS中六面體非協(xié)調(diào)單元網(wǎng)格C3D8I進(jìn)行劃分,得到延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)靜態(tài)測(cè)試的有限元模型。為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果,必須進(jìn)行網(wǎng)格收斂性分析以確定網(wǎng)格劃分的密度,經(jīng)過(guò)計(jì)算,發(fā)現(xiàn)0.4 mm的密度是精確的網(wǎng)格密度,圖5為八分之一結(jié)構(gòu)的有限元模型(模型具有對(duì)稱性)。將裝配體導(dǎo)入ABAQUS6.4中,移動(dòng)管的材料為鈦合金,彈性模量為110 000 MPa,泊松比為0.34;聚縮醛的材料屬性為非線形彈塑性材料,實(shí)驗(yàn)選擇其室溫下(23℃)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,見(jiàn)圖6。

    設(shè)定限動(dòng)管和移動(dòng)管凸起之間為綁定接觸,同時(shí)限動(dòng)管外壁模擬假體外殼支撐設(shè)為固定,限制限動(dòng)管外壁垂直軸向方向的自由度。在軸向方向上模擬外界壓力,給移動(dòng)管加載速度為25 mm/min時(shí)的載荷力F進(jìn)行求解計(jì)算,其中力F的取值見(jiàn)表2。

    圖4 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的三維裝配模型

    表2 加載最大力值

    3.2 有限元分析結(jié)果

    在4核64 G工作站上對(duì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)測(cè)試有限元模型進(jìn)行分析,得到不同軸向載荷作用下,不同規(guī)格移動(dòng)管和限動(dòng)管Von Mises應(yīng)力云圖,圖7為其中載荷值為1200 N時(shí)45-19結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。不同結(jié)構(gòu)在各種加載情況下的應(yīng)力變化見(jiàn)圖8,分析計(jì)算結(jié)果表明,在材料抗拉強(qiáng)度內(nèi),移動(dòng)管相同凸起角度γ下,凸起外徑φ越大,移動(dòng)管承受的載荷越大;其中規(guī)格75-20承受載荷最大,為2 400 N至4 000 N之間; 規(guī)格45-20和75-19承受載荷約為2 000 N;其他規(guī)格承受載荷相對(duì)較小。從應(yīng)力云圖中可看出延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的主要受力位置是限動(dòng)管與移動(dòng)管的凸起結(jié)合處,且主要失效形式為限動(dòng)管的破壞。

    圖5 有限元模型

    Fig5Finiteelementmodel

    圖6 聚縮醛材料屬性

    Fig6Propertiesofpolyacetalmaterials

    4 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物理實(shí)驗(yàn)

    4.1 物理實(shí)驗(yàn)?zāi)P徒?/h3>

    根據(jù)三維設(shè)計(jì)軟件PRO/E中建立的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)三維模型,加工出實(shí)驗(yàn)樣品。按照與有限元相同的延長(zhǎng)要求,將每份樣品組裝,見(jiàn)圖9a,從右到左依次為移動(dòng)管延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)格序號(hào)1-9,其中規(guī)格75-19和規(guī)格75-20進(jìn)行組裝時(shí),發(fā)現(xiàn)無(wú)法按照正常的延長(zhǎng)過(guò)程延長(zhǎng),可以判斷其實(shí)際結(jié)構(gòu)不可行,見(jiàn)圖9b;規(guī)格75-18延長(zhǎng)過(guò)程中超過(guò)延長(zhǎng)要求但不影響實(shí)驗(yàn)。在延長(zhǎng)組裝時(shí)發(fā)現(xiàn),移動(dòng)管凸起外徑φ為20 mm的規(guī)格延長(zhǎng)過(guò)程相對(duì)困難,且對(duì)限動(dòng)管的內(nèi)壁破壞相對(duì)較嚴(yán)重,有明顯的材料殘留物滲出,見(jiàn)圖9c。

    圖7 應(yīng)力云圖

    圖8 不同加載情況下的應(yīng)力變化

    4.2 物理實(shí)驗(yàn)方法

    根據(jù)靜態(tài)力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)要求,將測(cè)試樣品裝夾在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),進(jìn)行50 N力預(yù)加載,儀器調(diào)零,然后以25 mm/min的軸向壓縮速度進(jìn)行加載,壓縮位移定為8 mm。通過(guò)pc端測(cè)試軟件記錄測(cè)試數(shù)據(jù),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,確定不同結(jié)構(gòu)的最大負(fù)載力。

    圖9 實(shí)驗(yàn)樣品

    (a).實(shí)驗(yàn)樣品組裝圖;(b).規(guī)格75-19和規(guī)格75-20樣品;(c).規(guī)格15-20和規(guī)格45-20樣品

    Fig9Theexperimentalsample

    (a).assemblydiagramofexperimentalsamples; (b).samplesofspecifications75-19andspecifications75-20; (c).samplesofspecifications15-20andspecifications45-20

    4.3 物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    對(duì)完成組裝的7組樣品在相同的加載方法下,得到不同延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學(xué)測(cè)試結(jié)果,見(jiàn)圖10。

    圖10 靜態(tài)力學(xué)測(cè)試結(jié)果

    圖11 結(jié)果對(duì)比分析

    Fig11Resultscomparativeanalysis

    從首次峰值出現(xiàn)的情況看,其中規(guī)格15-19、15-20和45-19均能達(dá)到滿足青少年患者使用安全性要求的2 000 N力負(fù)載。而移動(dòng)管的凸起外徑φ為18 mm的規(guī)格負(fù)載力低于1 000 N,相對(duì)較小。規(guī)格45-20承受的加載力過(guò)大的原因是延長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)材料破壞引起的誤差。

    5 討論

    由于延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中移動(dòng)管是鈦合金材料,其彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聚縮醛材料,所以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的最大負(fù)載力主要取決于限動(dòng)管,從仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均可得到證實(shí)。仿真模擬的是延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)加載力,而非延長(zhǎng)過(guò)程,對(duì)于規(guī)格75-19和規(guī)格75-20來(lái)說(shuō),雖然有仿真模擬結(jié)果,但在物理實(shí)驗(yàn)中,其結(jié)構(gòu)并不能滿足延長(zhǎng)需求。從其他規(guī)格的結(jié)果來(lái)看,實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力值普遍比仿真的應(yīng)力值大,見(jiàn)圖11,可能是由于實(shí)驗(yàn)材料彈性模量的測(cè)量誤差造成的,通過(guò)精準(zhǔn)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)材料的彈性模量及泊松比賦值到有限元分析的材料參數(shù)中,可以減小實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的誤差。

    通過(guò)對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)格的靜態(tài)力變化趨勢(shì)基本一致。規(guī)格15-19、規(guī)格15-20和規(guī)格45-19的應(yīng)力結(jié)果在仿真和物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中最符合延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的需求,其中規(guī)格15-20在物理實(shí)驗(yàn)中存在延長(zhǎng)過(guò)程中材料結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重的問(wèn)題,所以相對(duì)其他規(guī)格,規(guī)格15-19和規(guī)格45-19更滿足整個(gè)結(jié)構(gòu)的要求。

    6 結(jié)論

    本研究通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建立新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)三維模型,在ABAQUS軟件中建立不同規(guī)格延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)測(cè)試模型,并相應(yīng)對(duì)不同規(guī)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。通過(guò)有限元分析和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn):除了實(shí)驗(yàn)不滿足延長(zhǎng)需求的兩種規(guī)格外,有限元分析結(jié)果和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律較為一致。由于實(shí)驗(yàn)材料彈性模量的測(cè)量誤差、實(shí)驗(yàn)樣品的延長(zhǎng)裝配誤差、實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算的力的加載位置、邊界條件及任意方向應(yīng)變等差異,使得有限元結(jié)果和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。實(shí)驗(yàn)和仿真分析的結(jié)果表明,對(duì)本研究的多種延長(zhǎng)結(jié)構(gòu),移動(dòng)管凸起的外徑φ為19 mm,凸起角度γ為15°至45°之間最佳, 本研究結(jié)果將有助于為新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體深入研究奠定理論基礎(chǔ)。

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