基于鳄鱼吻部衍生强化机制进行爆裂腰椎重建的微创手术器械

This project present a novel minimally invasive surgery (MIS) device,which is designed basing on the derived stengthen mechanism of crocodile rostrum, to achieve the reconstruction of fractured lumbar. A coupling strengthen model and a multipoint clamping model are demonstrated by considering the coupling of secondary structure and the cooperating clamping mode of molar-like thecodont. The design and fabrication methods of the strengthening and fastening structures of the device clamp is established. With the development of the invivio unit and the invitro unit of the device, the MIS device, which can be put into the lumbar centrum through pedicle,are developed to resconstruct the burst fractured lumbar from inside. Furthermore, the performance of the device is evaluated by applying it to the experiment of human lumbar reconstruction. This MIS device has been designed basing on bionic mechanism. It can satisfy the requirements of performing surgery in the strait space of nucleus. It can reconvert the shape of the fractured lumbar and reconstructing the centrum, which may lay the foundation for the recovering of the lumbar intensity and the reduction of complication without removing the structure of the lumbar and the muscle, ligament and nervous tissue. Until now, the bionic model and the design method of the device presented in this project has not been reported.

本项目提出一种基于鳄鱼吻部衍生强化机制对爆裂骨折的腰椎进行重建的微创手术器械。基于鳄鱼吻部的衍生强化机制，建立考虑多种次生结构耦合作用、臼状槽生齿多点、立体夹持模式的耦合承载强化和协同立体固定仿生模型；形成微创器械夹持钳仿生承载强化和咬合口仿生防脱结构的设计和制造方法；进行微创手术器械探入单元和体外控制单元的研制，形成一种可经椎弓根穿刺孔探入腰椎髓核，从内部对伤椎进行重建的新型微创手术器械，并应用于人体腰椎爆裂骨折重建实验。本微创器械的夹持钳依据仿生原理进行设计，能够满足在髓核内的狭小空间进行手术操作的要求，可在不切除伤椎结构、不破坏伤椎周围肌肉、韧带和神经组织的情况下，对碎骨进行复位，重建椎体形态，为恢复爆裂腰椎生物力学强度、减少术后并发症奠定基础。目前，国内外未见本项目提出的仿生模型和微创器械设计方法的相关报道。

B 型胸腰椎爆裂性骨折椎体内操作空间狭小，微创器械夹持钳的尺寸受到限制，其力学性能和可靠性均难以满足要求。因此，本文提出了一种基于鳄鱼吻部力学特征和主从控制的仿生微创手术器械。 .针对椎内复位钳体积小、结构刚度大的要求，以暹罗鳄头骨为仿生目标，利用逆向建模工具对鳄鱼头骨进行三维重构，得到可用于仿生设计的头骨特征，并根据仿生原理进行椎内复位钳的结构设计。为保证复位钳拥有夹持可靠性，根据鳄鱼牙齿的形态和分布特征进行仿生夹钳齿的设计。.为验证仿生复位钳的力学性能，运用数字图像相关法对仿生复位钳及其对比模型进行刚度测试。结果表明，相对普通复位钳，仿生复位钳的变形量减小了44%，机械性能得到明显提升。为验证复位钳的夹持可靠性，分别测定了仿生齿、三角形齿和波形齿与骨块间摩擦系数与滑脱系数，结果表明，仿生夹钳齿与骨块间的摩擦系数约为普通商业化齿形的 1.70 倍，滑脱系数滑脱指数仅为商业化夹钳的 3/5，具有更高的夹持可靠性。.针对手术实际要求，确定了基于丝传动的多自由度微创手术器械的三维模型。基于D-H参数法对手术器械进行了正运动学分析，对多自由度手术器械进行运动学建模，通过仿真验证了正运动学分析的合理性。用解析法对手术器械进行了逆运动学求解，验证了求解正确性。对手术器械的工作空间进行分析并绘制了复位钳的末端轨迹图，证明该器械在运动中满足椎体限域空间的尺寸要求。.制备手术器械样机，搭建骨折复位微创手术器械的控制系统。利用压缩法得到牛椎骨的 B 型爆裂性骨折标本，通过人工破坏法得到人椎骨的 B 型爆裂性骨折标本；运用内窥镜作为术中照明和成像设备，进行仿生微创手术器械的体外模拟实验。结果表明，该仿生微创器械具有使用的可靠性和灵活性。.本文设计的仿生微创手术器械模仿鳄鱼吻部的生物力学特征，提高其机械性能，并采用主从式远距离操作，能够在椎体狭小的空间内移动碎骨。这项研究对微创手术代替后路开放式手术治疗 B 型胸腰椎爆裂性骨折提供了可能性。