弯曲载荷下融合术后邻近节段应力松弛特性研究

单位代码 10006 学 号 10101037 1分类号 R684 毕业设计(论文)弯曲载荷下融合术后邻近节段应力松弛特性研究 院（系）名称生物与医学工程学院 专业名称生物医学工程 学生姓名杨冠中 指导教师裴葆青2014年6月弯曲载荷下融合术后邻近节段应力松弛特性研究杨冠中北京航空航天大学 北京航空航天大学本科毕业设计（论文）任务书、毕业设计（论文）题目：弯曲载荷下融合术后邻近节段应力松弛特性研究 、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：粘弹性组织具有应力松弛效应，有文献表明，应力松弛特性与脊柱退变机制具有相关性。针对动物实验标本，利用六自由度机械手臂运动加载平台，测试10例完好与融合术后脊柱双运动节段的应力松弛特性，研究融合术后邻近节段加速退变的生物力学机制。 、毕业设计（论文）工作内容：2014.2.1-2014.2.28 完成文献调研与翻译，掌握实验方法； 2014.3.1-2014.3.20 完成动物实验样本的处理与保存，完成预实验； 2014.3.21-2014.4.20 完成完好组羊腰椎样本（10例）弯曲应力松弛测定并采集数据，完成应力数据处理，拟合测量结果； 2014.4.21-2014.5.20 完成下位融合术后羊腰椎样本（10例，自身对照）弯曲应力松弛测定，完成应力数据处理拟合结果并与完好组进行统计学比较分析 2014.5.21-2014.6 完成论文撰写和答辩 、主要参考资料：黄建松，华宏星，王以进，谌勇.人体胸腰椎和椎间盘的应力松弛和蠕变性试验.透析与人工器官，2012,23(1)：4- 8. 张延哲，朴成东，马洪顺. 双侧颈椎50%小关节切除后的应力松弛及其流变特性. 中国组织工程研究与临床康复.2009,13(13): 2501-2504. Recuerda, M., et al. Influence of Experimental Protocols on the Mechanical Properties of the Intervertebral Disc in Unconfined Compression. Journal of Biomechanical Engineering-Transactions of the Asme, 2011, 133 (7). Hilibrand, A.S. and M. Robbins. Adjacent segment degeneration and adjacent segment disease: the consequences of spinal fusion The spine journal : official journal of the North American Spine Society, 2004, 4 (6 Suppl):190S-194S. 生物与医学工程学院 院（系） 生物医学工程 专业类 101012 班学生 杨冠中 毕业设计（论文）时间： 自 2014 年 3月 1日至2014 年 5 月 26 日答辩时间： 年 月 日 成绩 指导教师： 兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）： 系（教研室） 主任（签字） 注：任务书应该附在已完成的毕业设计（论文）的首页。本人声明我声明，本论文及其研究工作是本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 作 者：杨冠中 签 字： 时 间：2013年6月北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 II 页 弯曲载荷下融合术后邻近节段应力松弛特性研究 学 生： 杨冠中 指导教师： 裴葆青摘 要弯曲松弛特性是反映脊柱粘弹性的重要标志。脊柱融合术后邻近节段会发生继发性加速退变。而目前，暂时还未有融合术后脊柱弯曲松弛特性的相关报道。研究弯曲载荷下邻近节段的弯曲松弛特型变化对解释融合术后邻近节段加速退变的机制具有重要的临床意义。本课题根据融合术前后患者运动姿态保持一致的实际特点，设计了以下弯曲松弛实验：先对完好样本进行纯力矩3Nm的加载。之后对进行了下节段模拟融合手术的融合术组进行相同路径的加载，即弯曲角度一致。对得到的力矩松弛曲线进行Prony五参数模型的拟合，定量得出融合前后粘性与弹性元素的变化即力学环境的改变。根据上临近节段的力矩-角度曲线得到融合术前后上邻近节段的能量吸收情况。实验结果显示：前屈后伸载荷下融合术后的刚性系数均有显著性增长（p0.05），表征粘性特性的松弛时间系数显著下降(p0.2)。融合术后上邻近节段的能量吸收高于完好组，但无显著性差异（p0.05）。上临近节段的运动范围显著性增大。结论：三个刚性系数均增加说明融合术提升了脊柱的刚度，而松弛时间的下降则是因为完成相同运动姿态脊柱承受了更大的力矩载荷。融合术后上邻近节段吸收了更多的能量，这可以一定程度解释邻近节段出现加速退变。通过本实验得到的融合术后的松弛曲线和能量关系，可以更好的解释融合术后临近节段加速退变的机制.关键词：弯曲松弛，融合术，邻近节段，松弛曲线拟合Research of the Load-Relaxation Property of the Adjacent Segment with the Spinal Fusion under Bending LoadsAuthor: YANG Guan-zhongTutor: PEI Bao-qingAbstractThe load-relaxation property is an important viscoelasticity symbol of the spine. After the spinal fusion surgery, it will occur the accelerate degeneration to the adjacent segment. This research on the load-relaxation property of the adjacent segment when the spine is under the bending load has important clinical significance because it is helpful to explain the reason of the accelerate degeneration on the adjacent segment.This research is according to the fact that the patients will have the same motion before and after the spinal fusion. The research is designed as the following: first, we put a pure torque load of 3 Nm on the samples. After the spinal fusion surgery on the lower segment, put the same path of the load , as the bending angle is consistent. By fitting the moment relaxation curves with the five parameters Prony Model, we can know the change of the viscous and elastic element quantitatively, namely mechanical changes in the environment. According to the Moment-Angle curve we can get the energy absorption of the adjacent segment before and after the spinal fusion.Experimental results show that: after the spinal fusion, the stiffness constants increased significantly when the spine is under the flexional load and the extending load (p0.05), and the relaxation time constants decreased significantly (p 0.2). The energy absorption on the adjacent segment is higher than the good group, but there was no significant difference (p 0.05). Conclusion: three stiffness constants increase show that the spinal fusion can increase the stiffness of the spine. And the relaxation time constant fall because complete the same motion the spine will have more torque load. We can explain the reason of the accelerate degeneration on the adjacent segment by the relaxation curve and the relationship between energy and fusion in this research.Key word: load-relaxation, spinal fusion, adjacent segment, relaxation curve fitting北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 IV 页 目 录1 绪 论11.1 研究背景与意义11.1.1脊柱的生理结构及其生物力学特性11.1.2脊柱融合术及邻近节段病介绍11.1.3 研究背景21.1.4 研究意义31.2 研究现状31.3 课题研究方法51.4 论文构成及研究内容62 课题实验方法的探究与验证72.1 本章内容72.2实验器材与方法72.2.1实验器材72.2.2样本制备72.2.3样本包埋固定方法82.2.4纯力矩加载方法82.2.5 图像数据的采集92.2.6 脊柱融合术的操作102.2.7 应力数据曲线方程的拟合方法102.2.8 样本运动角度的测量方法122.3 准确度验证132.4 本章小结143 弯曲应力松弛特性变化规律研究163.1 研究内容163.2 实验方案的设计与选择163.2.1 实验样本的选择163.2.2 预实验173.3弯曲松弛实验203.3.2 实验进度223.3.3 拟合方程模型的选择223.3.4 力矩-角度数据曲线的计算223.4 实验结果243.4.1 松弛特性243.4.2 弯曲松弛方程曲线拟合数据统计学比较243.4.3 上节段最大运动角度数据283.4.5 邻近节段力矩变化与运动角度变化趋势关系304 讨论31结论33致谢34参考文献35北京航空航天大学毕业设计(论文) 第38页 1 绪 论1.1 研究背景与意义1.1.1脊柱的生理结构及其生物力学特性人体脊柱总共分为四个功能区段，分别是颈椎(C1C7)，胸椎(T1T12)，腰椎(L1L5)和位于尾端的骶椎，是由躯干骨的24块椎骨、1块骶骨和一块尾骨及骨连结形成，构成人的中轴，上端承载头颅，下端连结肢体骨。各椎骨之间籍韧带、软骨和滑膜关节相连，可分为椎体间连结和椎弓间连结。椎体之间通过椎间盘以及前、后纵韧带相连。椎弓间连结包括椎弓板、棘突、横突间的韧带连结和上、下关节突间的滑膜关节。脊柱有三个功能：承受载荷、提供运动和保护神经1。脊柱最小的运动功能单位是运动节段，它的结构组成包含相邻的两个椎体和中间连接的椎间盘。椎间盘通过软骨终板分别与上、下椎体相连，是运动节段中最灵活的部分2并且其厚度对所在运动节段的运动范围起着决定性作用。人体内所有组织都是粘弹性材料，而椎间盘在人体组织中粘弹性最好，其特有的良好的粘弹性对于人体有着极为重要的保护功能。椎间盘组织的粘弹性行为是由其固液两相性决定的。固态部分是由胶原纤维和粘多糖等物质组成，液态部分由基质中的水、溶解的气体以及小分子蛋白组成3。当载荷持续作用在间盘上并超出了髓核组织的膨胀压力时，则会出现压力和速度梯度，产生液体的运动，同时大量的液体被挤压。然而，流经固态物质，遇到刚好相反的阻力，导致粘滞效应。由于滞后性，因此其力学特性具有时间依赖性。通过文献查阅我们可以知道，对于椎间盘粘弹性的研究中，椎间盘的弯曲松弛特性是一个极为重要的研究参数，同时也是脊柱治疗康复阶段的重要的判别肌肉神经系统以及组织康复程度的指标，而脊柱的松弛特性可以通过应力松弛实验获得41.1.2脊柱融合术及邻近节段病介绍自1911年Hibbs5等采用脊柱融合术治疗脊柱侧凸畸形患者以及Albee6等采用脊柱融合术治疗脊柱结核开始，脊柱融合术已经发展了将近100年。目前在临床手术中，脊柱融合术有着极为广泛的应用，已经成为了治疗椎间疾病的标准术式。脊柱融合术是在脊柱节段之间,造成骨性连接,消除该段脊柱节段的活动度,以矫正畸形、改善功能、稳定脊柱、减轻或消除症状。脊柱融合术分为脊柱前路融合术和脊柱后路融合术, 脊柱前路融合术又称椎体间融合术,在椎体间植骨融合术。后路融合术有仅融合棘突的Albee法;融合椎板及椎间关节的Hibbs法以及大块“H”形植骨融合法,现常用改良Hibbs法即后外侧融合术,在两侧横突间植骨融合7。融合术主要用于治疗:脊柱结核;脊柱侧凸矫形术后;脊柱骨折或骨折脱位致脊柱不稳定者;椎间盘切除术后;脊柱椎体滑脱等其他需要稳定脊柱者。前路椎体间植骨融合术就是将所要融合的脊柱节段内的椎间盘切除,取自体髂骨、腓骨和肋骨植骨,达到椎体间植骨融合的目的。前路融合具体方法：前路融合术时，需将椎间盘、软骨板及病骨凿除，露出健康松质骨，不得进入过深，以免损伤脊髓。植入物厚度应比植入间隙的宽度稍大，使其紧密嵌入。脊柱后融合术具体方法：进行脊柱后路融合术时，需将椎板表面骨质掀起一薄层，必要时除去椎间关节软骨，植入足量的松质骨。在固定脊椎与活动脊椎交接处，应力较大不易融合，常需加用钢丝或者钢板螺丝钉固定。由于操作方便等原因，颈椎通常应用前路融合固定，而腰椎通常应用后路融合固定。邻近节段是指进行脊柱融合术之后，病变融合节段的椎体骨与其相邻的完好椎体骨及其之间的椎间盘组成的脊柱功能单位即为邻近节段8，其中邻近节段分为上邻近节段和下邻近节段。而邻近节段病（Adjacent segment disease, ASD）是指脊柱融合术后，融合节段两侧的运动节段出现的任何异常的状况，而这里面发生频率最高的就是邻近节段发生继发性加速蜕变9。1.1.3 研究背景随着手机、平板电脑等电子产品逐快速普及，各类电子产品已经完全融入人们工作生活的各个方面。但随之而来的是，因为大多数人对手机等电子产品的依赖，人们低头玩手机或平板电脑的场景已经随处可见，颈椎因为久坐、长期低头等不良的生活习惯等多种原因导致其所受的弯曲载荷负担大大加重，这也导致颈椎疾病发病率明显增加，并且呈现上升化和年轻化发展趋势。脊柱融合术是目前治疗严重颈椎疾病如间盘脱、突出导致的脊髓型或神经根型压迫、及重度椎间退变的标准术式。但在随后的临床报告显示，融合术会后邻近节段继发性病变的发生率为5%43%，平均发生率高达25%10。可见融合术后脊柱力学环境的改变对邻近节段产生了很大的不利影响。并且通过对术后患者进行随后的跟进性观察，发现大多数患者进行脊柱融合术后，在完成与术前相同的动作姿态时，会习惯性的保持相同的运动姿态。但从脊柱融合术的临床手术功能来看，融合术后融合节段被完全钢化，其运动度完全消失，因此相同的运动姿态导致的直接后果是邻近节段会发生代偿性运动范围增大，进而增加邻近节段的运动负担，可是如果融合术后患者在相同运动姿态下保持一段时间，邻近节段受到一个持续状态下的高载荷负担，其邻近节段的松弛特性又会有着怎么样的变化还不得而知。1.1.4 研究意义脊柱运动机制包括两大部分：内部的被动部分，包含脊柱功能节段中的韧带、间盘和骨组织，外在的主动的部分包括肌肉和神经反馈系统。在目前的研究中，对主动部分的弯曲松弛特性研究有很多11，对脊柱进行压力载荷下的松弛特性的研究也有很多，但对于完好的或者手术后的被动组织的弯曲松弛特性目前还未见到描述，而对于颈椎来说，其在日常生活中所受到的载荷形式最多的就是弯曲力矩载荷，并且从脊柱融合术后跟访中可以发现患者术后颈椎受到的载荷形式依然是弯曲力矩载荷。因为目前对于颈椎融合术后其邻近节段的弯曲松弛特性的相关研究并不多。因此，课题组拟根据现有融合术后对邻近节段的生物力学环境改变，借鉴已有对脊柱相关松弛特性的研究方法，结合材料力学的测试手段和判断依据，探究融合术后邻近节段的弯曲松弛特性的改变。通过与脊柱融合术前的弯曲松弛性能进行比较，从而得到融合术后造成的邻近节段力学环境改变引起的邻近节段的松弛性能的改变，由此完善邻近节段加速退变的生物力学机制的问题。本论文的目的就是基于文献报道中介绍的方法和原理，在学院现有条件下，探究弯曲载荷下脊柱融合术后邻近节段的弯曲松弛性能参数的计算测量方法，并测量脊柱融合术后邻近节段的运动角度变化，为课题组后续的相关课题研究提供一定的理论研究基础和临床参考依据。1.2 研究现状脊柱融合术会导致邻近节段的力学环境发生明显的改变。生物力学理论认为12，脊柱融合会导致融合节段内刚度的增加，活动度明显下降或消失，这种高刚度会导致脊柱节段的活动度将发生重新分配，融合节段所减少的活动度会转移到剩余的运动节段，导致相邻节段的运动度代偿性增高。同时刚度的增加也会使邻近压力增高。一些学者认为这种运动度代偿性增大是导致邻近节段继发性加速退变的主要原因。还有一些学者认为术前的邻近节段状态是决定其是否会发生邻近节段退变的根本原因。生物力学改变理论认为，椎体融合术后压力向邻近节段转移也是引起邻近节段退变的主要原因。围绕刚度增高理论，很多学者展开了研究，研究包括对刚度增大后引发的响应的分析和验证以及所引发响应与退变之间的关联。研究方法包括利用离体生物力学实验、有限元模型计算以及临床在体数据分析。相应方法有离体样本加载，在体动物实验以及有限元和临床影像学方法。脊柱融合术后邻近节段会发生明显的生物力学改变。运动模式上，脊柱运动时，可将椎体看作刚体围绕瞬时旋转轴或转动中心运动。Shono13等用牛腰椎骶段脊柱标本在内固定术前后进行旋转、屈伸和侧弯是生物力学对照试验，结果表明，在固定后椎体上方节段的旋转、屈伸及侧弯运动范围均有增加；内固定的范围越大，结构强度越强，旋转与屈伸时的移位越大，而侧弯时移位不大；在下方相邻节段，旋转时均有显著的移位增加，多节段固定者比单节段固定移位更严重。有文献证明，融合上邻近节段的过度运动会导致其椎间盘退变以及椎间疾病，同时造成小关节肥大以及黄韧带的变薄。动物尸体骨实验表明运动度和椎间压力在邻近节段内会显著增加，随之而来会导致退变和椎间失稳14。Ruberte15利用三维有限元方法，建立非线性有限元模型，研究单节段间盘从轻微到严重退变的生物力学响应。他们发现，在邻近上下节段退变导致载荷和运动范围的形式均有改变。最初改变节段的刚度。随后邻近节段的纤维环拉伸应力和剪切应力在除了伸展运动外所有运动均显著增加，尤其是轴向转动。其他研究也认为融合术后融合节段将载荷传递给邻近节段的。Frymoyer16等在屈伸运动下研究腰椎融合术后邻近节段的特性，发现融合术后邻近节段的运动度显著增加，其他研究也证明了间盘内压力随着融合节段数目的增多而增大，并观察到邻近节段的过度运动17。他们发现在脊柱过度前突时，邻近节段在矢状面内的屈服显著增加。他们认为这种前突姿态下邻近节段的屈服会显著增加早期退变出现的可能性。Matsunaga18颈椎前路手术后相邻节段椎间盘内的张力进行了研究，发现手术后一年相邻椎间盘内的压力增加32%，退变的融合相邻节段的椎间盘和后纵韧带内张力增加，Pospiech19等在颈椎前路融合术后活体测定未融合椎间压力，发现融合后邻近节段压力有立即的明显升高。小关节应力集中被认为是邻近节段发生获得性脊椎滑脱的主要原因。后路融合较前融合和侧方融合更容易造成邻近节段小关节上应力集中。Frymoyer 等通过扫描X光片的方法比较了融合与未融合邻近节段的腰椎行为，发现在屈伸运动下邻近节段的运动范围显著增加。通过固定器械达到的瞬间的高刚度导致的更大的应力会导致邻近节段加速退变。对腰椎后路椎间融合器的固定和后外侧关节融合术两种不同刚度固定发现，刚度的增加会导致邻近节段退变的风险增高20。还有一个因素是上位螺钉的位置，决定了上位是否会破坏上邻近节段的下关节面。因为关节面改变导致的承载能力的下降也会导致邻近节段的退变21。Cabello, J22等人利用三节段尸体骨腰骶样本（L3S1）测量椎间压力发现，融合术后上邻近节段椎间压力增加20%。Mayer, T. G 23 等人针对一些慢性职业性腰椎紊乱的患者，测定他们治疗（手术治疗）前后躯干弯曲时的竖脊肌表面肌电，从而分析获得腰椎功能性恢复情况。结果发现，腰椎弯曲松弛指标对治疗前后的敏感度很高，并且可以一定程度预测和验证特异性的腰椎治疗后运动范围。McGorry24等在研究中发现，腰椎竖脊肌的弯曲松弛特性与下腰痛有直接关系，并且根据不同的下腰痛情况进行了分类，结果表明，暂时性下腰痛患者的弯曲松弛特性与疼痛的关系显著性高于慢性腰痛患者。同时，还有学者也证明了腰椎弯曲松弛的表明肌电能够区分慢性腰痛和不腰痛的群体 25-27 。Yoo28等对无症状的电脑操作人员进行了颈椎运动范围及弯曲松弛率的关系的研究，结果发现在主动弯曲，左侧弯及左扭转时，右侧颈椎竖脊肌肌电与弯曲松弛率显著性正向线性相关，这提示在未发生临床疼痛之前，弯曲松弛率可以评估和预测潜计算机操作人员的颈部不适这些研究结论表明，融合术后邻近节段确实发生了运动及应力分布规律的改变。脊柱是多关节器官，其正常的生理功能体现在不断的动态运动过程中，其弯曲松弛特性随着时间的累积效果也更明显，对邻近节段弯曲松弛特性的研究也更加有意义。1.3 课题研究方法本论文是以羊腰椎作为实验材料，将其处理成具有三椎体两间盘结构的双节段结构的实验样本。将样本两端用牙托粉固定于包埋盒中，在样本中间椎体表面标记Marker点，并在上包埋盒表面画上标记线。利用六自由度机械臂对双节段样本进行纯力矩加载，迫使实验样本分别保持前屈、后伸、侧弯、扭转后的固定姿态，力矩加载大小为3Nm。利用六自由度机械臂与上包埋盒之间的力学传感器记录加载过程中的力矩数据变化，同时利用摄像机记录实验样本在实验加载过程中的角度变化。利用影像数据通过提取图片、描点、连线、标尺计算等一系列操作进行图像处理，计算出实验样本在实验过程中的角度变化，进而得到时间、力矩、弯曲角度等实验数据间的相关关系和结论。1.4 论文构成及研究内容本实验主要研究内容如下所述：1) 根据应力松弛材料特性的相关要求，以羊腰椎段的双节段脊柱作为实验材料，选择并确定实验过程中实验样本的制备方法和加载方法；2) 本课题参考相关文献报道过的关于研究椎间盘相关材料特性的研究思路和方法以及目前临床上比较普遍的脊柱融合手术的操作方法，利用学院已有的六自由度机械臂等相关实验研究条件，探究邻近节段的椎间盘的相关特性的测量和计算方法；3) 通过测量前屈、后伸、侧弯、扭转四个不同运动姿态下邻近节段的应力松弛数据，以及其相关的运动影像数据，得到其应力松弛曲线以及角度随时间的变化关系，及其之间的相互关系，探究在实施脊柱融合术后邻近节段发生继发性加速蜕变的相关理论分析。本论文共分为五部分：第一部分为绪论，主要介绍了脊柱的相关生物学特性、脊柱融合术和邻近节段病的相关资料，以及邻近节段发生继发性加速退变的相关背景与研究意义，以及目前国内外相关学者在这方面的研究现状，并介绍了一些本课题在实验过程中的研究方法和相关研究内容；第二部分主要详细的介绍了实验过程中的相关实验方法，包括实验样本的制备、实验样本的包埋固定，纯力矩加载方法的操作、应力松弛数据和图像数据的采集获取以及应力松弛数据曲线拟合方法的选择和图像数据的角度计算方法，并对图像处理数据的处理方法做了准确性验证；第三部分是邻近节段在固定弯曲姿态下的相关研究内容，主要包括实验方案的设计与确定、实验流程、拟合方程模型的选择和力矩-角度数据的计算，并给出了整理好的实验结果；第四部分主要是针对目前实验过程中所得到的实验结论结合相关的文献数据以及目前实验的不足之处进行讨论，分析实验过程中问题产生的原因，为后面进一步的相关研究做准备。2 课题实验方法的探究与验证2.1 本章内容本章主要介绍课题实验过程中所采用的实验操作方法的相关探究，包括实验样本的制备、实验样本的包埋固定、纯力矩加载操作、图像数据的采集、脊柱融合术的操作流程以及对于弯曲松弛数据的拟合方法和图像数据的计算方法，并对相关实验操作方法进行优化性的验证，以及数据计算方法进行精确度验证。其操作原理主要是在前期处理实验样本时采用不同的操作方法进行优化对比，而图像数据的采集是通过标记Marker点，利用高清数码相机记录实验样本的运动影像数据，并用一系列图像处理操作计算Marker点的相对运动关系，从而计算出实验样本各节段的运动角度数据变化关系。2.2实验器材与方法2.2.1实验器材本实验所用器材及其相关规格型号如下所述：1) 六自由度机械臂：型号 ERDR-MH00005-A00，日本安川电机有限公司2) 高清数码摄像机：型号Canon hfs30，日本佳能公司，10倍光学变焦，图像分辨率为14401080 像素，采集频率25帧每秒3) 六轴力和力矩传感器：型号ATI MINI45，美国ATI公司4) 脊柱前路融合钢板：钛合金30mm四孔钢板, 钛合金4mm*16mm螺钉, 威高骨科材料有限公司，山东威海市。5) 自凝牙托粉：义齿基托树脂型，上海新世纪齿科材料有限公司，主要成分聚甲基丙烯酸甲酯PMMA2.2.2样本制备选取新鲜的羊腰椎样本，按照下述的样本制备标准对其进行处理，共得到11个双节段实验样本，分别编号为111号，其中1号、2号用于包埋操作对比，2号样本用于预实验操作。样本制备方法及处理标准如下：1) 检查羊腰椎表面损伤情况，确保实验所用样本的椎间盘无刀伤、撕裂等外源性损伤；2) 按照椎体骨-椎间盘-椎体骨-椎间盘-椎体骨的结构，将购买到的羊腰椎段脊椎骨截断成双节段结构；3) 去除脊柱表面的肌肉、韧带等软组织，并用切割机去除实验样本左右横突；4) 用切割机将实验样本两端残余的椎间盘组织去除，但尽可能多的保留椎体骨，并使其上下表面尽量水平；5) 实验样本表面进一步处理干净，以便后面Marker点的标记。6) 用在生理盐水中浸润过的纱布将按上述处理方法处理好的实验样本包裹好，并用保鲜袋将其封装好，置于-20的冰柜中进行冷冻保存29。2.2.3样本包埋固定方法1) 将40g称量好的牙托粉倒入铺有保鲜袋的包埋盒中，并用搅拌棒将其铺匀。根据2:1的配比将量好的20ml的牙托粉溶剂均匀的倒在铺好的牙托粉上，用搅拌棒缓慢均匀搅拌，减少气泡，直至搅拌成糊状；2) 等待12分钟糊状牙托粉变成面团状进入塑型期时，此时是牙托粉塑形最好的时期，将解冻好的实验样本的上端轻轻放入面团状的牙托粉中，直到触碰到包埋盒底部，并位于包埋盒中心位置。用手按压牙托粉，使其尽量与实验样本接触紧密。此时应尽量保证实验样本保持竖直的姿态直到牙托粉塑性完成进入发热期；3) 牙托粉完全冷却后，此时牙托粉已经完全凝固结实，将一端包埋好的实验样本从包埋盒中取出，用顶丝将其固定在连接传感器的上包埋盒中，并用六自由度机械臂的操控面板将包埋盒调至水平姿态，并使样本下端处于包埋盒上方正中处；4) 重复第（1）步操作将牙托粉搅拌均匀后，缓慢下降六自由度机械臂使实验样本下端没入糊状牙托粉中，直到力学传感器的轴向力出现较小的压力为止，此时实验样本的下端脊椎骨与包埋盒是紧密接触的。待糊状牙托粉进入面团期时，同样用手将其按压结实，使其紧密接触后，等待牙托粉进入发热期，塑型完成；5) 等牙托粉散热完毕后，剪去多余的保鲜袋，并用顶丝将实验样本下端牙托粉固定结实2.2.4纯力矩加载方法根据胡流源先生提出的通过找到纯力矩点，近似拟合纯力矩加载轨迹的机械臂平台加载方法30，将纯力矩加载方法按照以下步骤进行：1) 在固定实验样本前先对力学传感器进行BIAS操作，使其示数归零；2) 将实验样本用牙托粉包埋好并用顶丝在包埋盒中固定好后，微调六自由度机械臂操控面板上的X、Y、Z、Rx、Ry、Rz 的六个按钮，使力学传感器的X、Y、Z三个方向的力和力矩显示均近似为零，此时按下回车按钮记录下该初始点位置；3) 在调节纯力矩运动时应只调控制该方向弯曲运动的按钮和X、Y、Z三个平移按钮。以前屈运动为例说明，只调节Rx正向按钮，使机器人以沿X轴正方向做弯曲运动，迫使实验样本做前屈运动，并通过微调X、Y、Z三个平移按钮使得力学传感器的其他5个示数近似为零，等六自由度机械臂运动到所要求位置后，按下回车按钮记录该点位置。因为运动角度会比较大，所以在示教模式下从记录初始点位置开始，大概每运动3就用操控面板编程记录一个运动点，直到运动到所要求位置为止；4) 在实验开始时，再将操控面板调为TEACH模式，自行运行已经编好的程序，使机器人做连续的弯曲运动，并在运动到最后一个运动点后让机器人在该位置点保持30分钟。5) 在调节其他三个运动的程序时，均要将机器人调回初始点再重复第（3）步操作进行编程2.2.5 图像数据的采集1) 分别在需要用高清数码摄像机拍摄方向的包埋盒正面和左侧面的对称位置用Marker笔清晰的画出两条平行的Marker线；2) 将包埋好的实验样本表面清理干净，并在实验样本中间椎体对应的正面和左侧面的平整光滑位置各标记两个Marker点，并使这两个Marker点尽量处于同一个垂直平面内； 3) 将高清数码摄像机垂直正对着实验样本和包埋盒侧面，并利用三脚架将数码摄像机调至与实验样本同一水平高度，如图2.1所示，从而保证所拍摄的实验样本处于数码摄像机视野中间；4) 调节数码摄像机的焦距大小，在保证拍摄清晰度的前提条件下，使其拍摄视野尽量只包含实验样本和包埋盒侧面的Marker线。将视野调整到清晰并且只包含上下包埋盒与样本情况下，将摄像机调整到ZOOM*1.7模式。5) 因为实验过程中需要同时操控六自由度机械臂的操控面板、力学传感器的应力数据记录、数码摄像机的拍摄，尽量使其三者同时开始和结束，所以一个人无法同时操作三个实验设备，需要两人尽可能同步的操作三个实验设备，其中一人操作摄像机的拍摄，另一人同时操做操控面板和应力数据记录的开始。图2.1 摄像机摆放位置2.2.6 脊柱融合术的操作对于脊柱融合术的操作要求，不论是在临床手术中还是在本课题实验中，都应做到在使钢板尽量与骨头贴合时还要保证脊柱生理曲度融合后不会发生变化。具体实验操作步骤如下：1) 在实验样本下节段找到适合固定钢板的位置，再用螺钉定位器确定螺钉钉孔位置。在寻找钢板固定位置时，应保证30mm的手术钢板在跨过下节段椎间盘，并且尽量做到钢板固定时左右对称，从而可以在做固定姿态弯曲时不会对其他方向产生额外应力；2) 使用手动骨钻在与钢板平面垂直的轴向位置水平攻出螺钉所需钉道；、3) 把钢板下方两颗螺钉拧紧，钢板固定好后，将实验样本重新装回包埋盒中。再将上方两颗螺钉和固定实验样本的顶丝上好。在保证螺钉和顶丝拧紧的前提下，微调螺钉和顶丝使得手术后力学传感器数据初始显示值尽量调至零。2.2.7 应力数据曲线方程的拟合方法在对曲线数据进行拟合求取方程的操作中，选择的是利用MATLAB软件中的Curve Fitting Tool工具箱进行拟合的，具体的拟合操作如下所述。第一步，将得到的力矩数据文件转换成CSV文件格式，用EXCEL软件将转换后的CSV格式文件打开，可以看到文件中所对应的六列数据，找到对应X轴弯矩的那列数据，如图2.2（a），其中Fx,Fy,Fz分别代表X,Y,Z轴上力的大小,Tx,Ty,Tz分别代表X,Y,Z轴上的力矩大小。因为力和力矩均为矢量，传感器在记录数据时会有正负区分，因此我 （a）原始力矩数值表 （b）力矩-时间表（c）Matlab程序 （d）Curve Fitting Tool工具箱（e）方程参数调节界面 （f）拟合参数结果（g）曲线拟合效果图图 2.2 弯曲松弛曲线拟合步骤们需要将记录为负值的数据转换为正值。将所需的那列数据导到Excel表格中，找到力矩值的最大值点并将其与时间轴的零时刻对齐，如图2.2（b）,这样就可以得到弯曲力矩松弛数据随着时间变化的数据表。第二步，将整理好的力矩-时间数据表格中的力矩数据导入到 Matlab 软件程序里，程序如图2.2（c）所示，其中x代表的是时间数据，y代表力矩数据。运行程序并打开Curve Fitting Tool工具箱，并将倒入Matlab程序的时间、力矩数据导入进来，拟合方式选择自定义形式，并将所要用到的方程模型输入方程输入框中，结果如图2.2（d）所示。第三步，如图2.2（e）所示。调节方程模型中各参数的条件限制，将限制范围改为零到正无穷，以缩小拟合工作中的计算量。完成上述操作步骤后，点击Curve Fitting Tool工具箱的操作界面中的fit按钮就可开始进行拟合计算。同时拟合结果和拟合效果图也会在该操作界面显示出来。分别如图2.2（f）、2.2(g)所示，其中 a，b，c，d，e 为拟合方程模型的参数，括号内为其置信区间。将得到的参数数值代回到第一步中所得到的力矩-时间表格中就可以得到对应的拟合后的数据曲线。2.2.8 样本运动角度的测量方法将从数码摄像机中导出的视频文件按照“样本号-运动形式-手术前后”的命名形式将视频文件重命名后作为原始视频数据。为了保证视频拍摄过程中摄像机的拍摄视野窗口的不会出现移动和晃动，我们将高清摄像机安装于三脚架上，并且视频的拍摄略微早于机械臂的运动和力学传感器的数据记录。第一步，将整理后的视频文件导入到视频处理软件Corel Video Studio Pro X5中，通过重复的播放观察找到加载过程中弯曲角度最大的时间点，时间误差控制在正负一帧以内，即0.04s。以该时间节点作为视频分割点，找到其他所需时间点的图片，将其按帧截取出来，并以该图片所在时间点作为图片名字命名保存，这样我们就可以得到用于计算角度变化的原始单帧图像数据（如图2.3(a)）第二步，在单帧图像中找到测量所用的Marker点位置。首先将需要处理的图像导入到图像处理软件Adobe Photoshop CS3中。将图片放大后使用单像素大小的铅笔工具将标记过的Marker点小心圈出，效果如图2.3（b）所示，找到其中心点。并用同样方法标出包埋盒上Marker线的两头的中间像素点。这样就将需要测量的Marker点精确到了像素点，从而可提高测量的精确度。（a）原始单帧图像 （b）描出Marker点 （c）原始单帧图像 （d）描出Marker点图2.3 运动角度数据测量步骤第三步，获取Marker点的运动位置变化。将第二步标记好的图片利用套索工具和橡皮擦工具将多余的背景部分去掉只留下标出的Marker点和Marker线位置部分。对初始时刻的图片和所要计算角度的图片均做以上处理后，并将初始时刻的图片标出的像素点标记a、b、c、d，将所计算时刻图片的标记的像素点记为a、b、c、d ，将两张处理好的图片置于同一图层中，这样就将所计算时刻的角度运动变化位置就标记出来了（如图2.3(c)）。第四步，计算角度变化。因为图像处理软件Adobe Photoshop CS3中标尺工具具有计算图像中直线与水平线夹角的功能，因此我们可以利用该标尺工具通过分别计算ab直线和a、b直线的角度，并通过计算其角度差从而得到其角度变化从而得到所计算时刻的角度变化（如图2.3(d)）。2.3 准确度验证 因为样本运动角度数据是通过手动计算得到的，其数据误差性比较大，所以在采用该计算方法前需要对其进行准确度验证，我们可以通过对包埋盒从初始位置运动到最大位置的角度变化进行准确度验证，因为其真实的运动角度可以通过六自由度机械臂的当前位置界面显示的角度信息得到。如图2.4所示图2.4六自由度机械臂当前位置显示界面通过对预实验的最大角度值的计算得到的计算结果如表2.1所示，可以看出其角度误差均在3%以内表2.1 最大角度值准确度验证结果 运动模式实际运动角度图像测量角度角度误差前屈14.8314.70.88%后伸11.5411.22.95%扭转9.559.71.57%2.4 本章小结本章所列举的实验方法都是在经过多次不同的操作不断摸索、对比优化得到的。第一，本实验选取羊腰椎段作为实验材料，在确定了实验样本的处理标准后，先后采用了先去除肌肉软组织再截取双节段实验样本和先截取双节段实验样本再去除肌肉软组织的两种处理方法，最后选择了使用处理效率更高，效果更好的先截取双节段实