中空特徵對於微創椎弓足螺釘的力學影響
微創手術是現今外科手術治療的發展趨勢,微創手術提供高成功率、高效率、高安全的手術治療.就脊椎手術而言,由於微創概念導入使得傳統的椎弓足螺釘與微創使用之椎弓足螺釘有設計上的差異,其最主的差異是整支螺釘中心有一貫穿導引中空孔.本研究目的在於中空特徵是否對椎弓足螺釘在使用上,因結構差異而降低強度.參考各廠牌椎弓足螺釘的幾何特徵,歸納出中空孔直徑(2.0mm～2.4mm)約整支螺釘直徑(5.5mm～7.5mm)27％～44％本研究使用螺釘尺寸,是選常用範圍直徑5.5mm～7.5mm、相等長度45mm、中空直徑2.4mm.第Ⅰ組A1～E1無中空特征；第Ⅱ組A2～E2有中空特征；第Ⅲ組A3～E3有中空特征且置入2.4mm同材質補強插銷；第Ⅳ組A4～E4有中空特征且置入2.35mm同材質補強插銷；第Ⅴ組A5～E5有中空特征且置入2.3mm同材質補強插銷；第Ⅵ組A6～E6有中空特征且置入2.2mm同材質補強插銷.使用3D建模軟體(SolidWorks)與有限元素分析軟體(Ansys),並導入文獻受力條件(150N彎曲應力)與相關生物力學參數,螺釘牙端所入一塑膠試塊模擬骨頭,整體分析模型類似懸臂樑之受力變形.從等效應力(von Mises)、位移(Deflection)、間隙接觸結果,探討中空特徵對於椎弓足螺釘的影響.分析結果之等效應力數值來看,各組取相同直徑螺釘結果數值皆呈現Ⅱ＞Ⅵ＞Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅰ；同組數值呈現A1＞B1＞C1＞D1＞E1在Ⅰ組非中空螺釘與Ⅱ組中空螺釘數值差異,依螺釘直徑大小分別增加10.8％、9.6％、13.4％、19％、20.4％.置入理想插銷補強,最差有75％以上的補強效果,但實際上是無法達到理想補強.其原因是來自理想插銷與螺釘雖沒間隙,但還是處于可滑動的介面狀態.有間隙的補強插銷,在本分析所使用的150N受力條件下,並非所有間隙的補強插銷都有作用,6.5mm以下的在各種間隙皆有補強效果,7.0mm、7.5mm插銷在0.1mm以上的間隙幾乎沒補強效果,其主要原因未形成三點接觸機制.進一步分析發現,螺釘需變形到一定程度才能滿足三點接觸機制,並開始分散受力於插銷,滿足此機制的難易度與間隙成正比、受力成反比.中空特徵會降低椎弓足螺釘的反腐抗彎曲強度,而彎曲應力又是椎弓足螺釘主要吸收的應力方向,可能會減少螺釘疲勞破壞的壽命,但隨著中空直徑與螺釘走私的比值減少,中空特徵的影響逐漸減少,研究顯示,直徑7mm以上的螺釘中,中空特徵所增加的等效應力值縮小到10％內,即可忽略中空特徵對等效應力影響.另一方面,若中空特徵在手術中置入一同材質的插銷來補強螺釘彎曲強度,從研究顯示某些條件下會有改善效果,且降低等效應力值與位移量.最後結論中空特徵隨著椎弓足螺釘的直徑變小而影響提高,較大直徑(＞7mm)的椎弓足螺釘可忽略其影響,但在(＜7mm)不可忽略中空特徵造成的行將應力提高.
有限元素分析 脊椎微創手術 中空椎弓足螺釘
李育菁 吳興盛 蘇崇瑋 黃俊仁 彭嘉肇
國立中央大學機械系研究所 台北醫學大學傷害防治學研究所;敏盛醫院骨科部 國立中央大學機械系 烏樹林工業區廠商協進會
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2012-10-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）