振动对器械植入脊椎影响及组织失效风险评价研究

Vibration may induce human spine damage and various spinal diseases, which has attracted worldwide attention. In this study, the dynamic finite element methods are used to investigate the influence of vibration loads on the fixation instrument implantation, viscoelastic characteristics and poroelastic characteristics of human spine tissues,and to establish a more effectual injury risk factor evaluation method of vibration injury of human spine. The study includes (1) the influence of fixation instrument implantation on adjacent spinal montion segment under vibration condition; (2) the vibration experiment study of lumbar spine with fixation instrument implantation and vibration experiment study of human body; (3) the viscoelastic characteristic analysis of variable material property parmeters of spinal tissue under vibration condition; (4) the poroelastic characteristic analysis of spinal tissue under vibration condition; (5) the study of injury risk factor evaluation model of spinal tissue under vibration condtion. The findings in this study are helpful to understand the dynamic motion characterisitcs of human spine, and seek the method for mitigating the spine injury and decreasing the accelerating degeneration of spinal tissue, establish a more effectual evaluation model of injury risk factor of spinal tissue failure, and provide the thoretical guideline for the structural optimization and improvement of fixation instruments of human spine.

振动环境对人体脊椎损伤和导致的各种脊椎类疾病已引起国内外的重视。本研究利用动态有限元方法研究振动环境对人体脊椎内固定器械植入、粘弹性和多孔弹性力学特征的影响问题，并建立一种更有效的人体脊椎组织的振动损伤失效风险因子评价方法。研究包括振动环境下内固定器械植入对相邻脊椎组织的影响分析；器械植入脊椎的振动实验研究及人体振动实验研究；振动环境下脊椎组织变参非线性的粘弹性特性分析；振动环境下脊椎组织的多孔弹性力学特性分析；振动环境下脊椎组织的失效风险因子评价模型研究。研究结果将有助于了解人体脊椎的动态运动特征，以寻找减轻人体脊椎振动损伤和降低脊椎组织加速退化的方法，建立一个更加有效的脊椎组织失效风险因子评价模型，同时也为脊椎内固定器械的结构优化和改进提供理论依据。

在军工、航空航天、医疗、车辆工程、设备操作等诸多领域的科学研发，需考虑操作人员的安全性和舒适性，需要大量的人体实验数据。而鉴于人体实验的诸多限制和技术困难，利用人体模型替代人体实验有着紧迫的需要。本研究首先（1）建立了一个结构详细的人体脊椎T12-Pelvis段三维非线性有限元模型，然后又（2）建立了一个坐姿全人体Whole body三维非线性有限元模型。利用这些人体有限元模型，（3）研究了器械植入对人体脊椎力学特性的影响及（4）植入器械仿生设计拓扑优化问题，并提出了一种腰椎植入器械动态仿生优化设计的方法，使腰椎植入器械的力学特性更接近于人体的生理特征。（5）研究了腰椎融合术中水泥增强剂对骨质疏松脊椎力学特性影响，并评估了融合术的稳定性、融合失效、次生发病率等问题。（6）开展了冲击载荷下胸腰段椎骨爆裂性骨折的力学机理研究，提出了一种爆裂性骨折的有限元建模方法，并提出了一种基于实验数据与Johnson-Cook材料法则相结合的骨折材料参数的建模方法，解决了椎骨爆裂性断裂全过程的数学描述的难题。（7）利用全人体三维非线性有限元模型，研究了振动环境下坐姿人体动态力学特性，获得了全人体的自然频率特性和模态振型等重要结果，同时也（8）提取获得了人体内环境中的腰椎的动态特性，这些结果为揭示人体腰椎振动损伤机理，研发人体振动损伤的防护方法和防护设施，提供重要理论依据，具有重要的科学意义。（9）研究了振动环境下人体脊椎组织的损伤失效风险问题，分析了振动载荷对人体脊椎组织内部的作用力、应力、应变等分布变化规律，并提出一种结合工作年限时长和振动载荷强度来预测振动影响人体脊椎损伤风险因数的评估方法。在课题执行期间，相关研究成果在国内外学术期刊杂志上发表论文39篇，其中SCI检索34篇、EI检索4篇。申请发明专利3项并已授权2项。培养博士硕士研究生毕业20人（其中博士4人、硕士16人）。