椎體模型內(nèi)模擬注射PMMA的流動(dòng)及分布規(guī)律

椎體模型內(nèi)模擬注射PMMA的流動(dòng)及分布規(guī)律【摘要】目的：探尋骨水泥在椎體內(nèi)的流動(dòng)及分布規(guī)律，為臨床椎體成形術(shù)提供操作的理論基礎(chǔ).方法：根據(jù)正常成人椎體的結(jié)構(gòu)特性和參數(shù)運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建相應(yīng)的多孔介質(zhì)的椎體模型，并運(yùn)用流體力學(xué)的方法進(jìn)行數(shù)值模擬和分析與骨水泥粘度相當(dāng)?shù)墓栌驮谧刁w模型中的流動(dòng)及分布規(guī)律.結(jié)果：硅油在模擬的椎體模型內(nèi)的各個(gè)平面上呈類圓形分布，位于通過(guò)注射點(diǎn)的平面面積最大,在每個(gè)平面上從中心向外,硅油的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低.結(jié)論：模擬骨水泥在椎體內(nèi)的流動(dòng)分布規(guī)律：以注射點(diǎn)為圓心，在經(jīng)過(guò)注射點(diǎn)的各個(gè)平面上，向各個(gè)方向呈類圓形流動(dòng)分布，成為一個(gè)類球體的結(jié)構(gòu).

【關(guān)鍵詞】椎體成形術(shù)；聚甲基異丁烯酸；多孔介質(zhì)；椎體模型

0引言

經(jīng)皮椎體成形術(shù)是目前治療椎體病變(如高危骨質(zhì)疏松椎體、骨質(zhì)疏松導(dǎo)致的椎體骨折,椎體腫瘤等)較為常用、有效的方法之一.盡管經(jīng)皮椎體成形術(shù)有常規(guī)嚴(yán)格的手術(shù)操作程序，但臨床尚有諸多并發(fā)癥發(fā)生，其中較為嚴(yán)重且常見(jiàn)的并發(fā)癥為骨水泥的滲漏，對(duì)骨水泥注入過(guò)程中其流動(dòng)分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)不清楚是導(dǎo)致該并發(fā)癥發(fā)生的關(guān)鍵因素之一.模擬研究骨水泥在正常椎體模型內(nèi)的流動(dòng)分布規(guī)律，為椎體成形術(shù)的操作提供基礎(chǔ)理論依據(jù)，為臨床相關(guān)治療提供指導(dǎo).

1材料和方法1材料試驗(yàn)用椎體來(lái)源于解剖室２具青年男尸的胸腰段椎體共３個(gè)，所有標(biāo)本經(jīng)x線前后方向和側(cè)向檢查排除椎體的病變.經(jīng)過(guò)950mL/L乙醇脫脂后，標(biāo)明標(biāo)記后存于-20℃冰柜中待用.試驗(yàn)選用與骨水泥粘度相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)10萬(wàn)粘度的硅油作為模擬注射用的流體.

方法模型數(shù)據(jù)的獲取把３個(gè)脫脂的椎體切成小塊，每個(gè)椎體分別取其中１塊烘干，行掃描電鏡檢測(cè)，測(cè)量其孔隙率和孔隙的平均直徑大小，孔隙率值約為７０%~８０%.再根據(jù)文獻(xiàn)資料，?。罚?［1］，平均孔徑約為(±)mm.根據(jù)五個(gè)正常人的腰椎ＥＢＴ資料，運(yùn)用mimics軟件進(jìn)行腰椎三維重建，取腰椎體外形數(shù)據(jù)平均值模擬椎體外形.計(jì)算機(jī)模型根據(jù)椎體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)所采用的模型為非穩(wěn)態(tài)不可壓縮的粘性層流在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)模型，模型的外周模擬為固體壁面，內(nèi)部為多孔介質(zhì)填充的類橢圓柱體.運(yùn)用Fluent軟件對(duì)流體流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用Euler方法對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析.模擬注射的方法取模擬的椎體模型的后壁為進(jìn)針部位、以椎體的物理中心點(diǎn)為注射的出口，該出口為速度進(jìn)口，都給一個(gè)恒定的速度m/s，模擬注射１０萬(wàn)粘度的硅油.取水平面的中心截面和上下對(duì)稱的兩個(gè)水平截面、縱行截面的中心截面和左右對(duì)稱的兩個(gè)縱行截面來(lái)模擬和分析硅油在椎體模型內(nèi)的流動(dòng)及分布情況.實(shí)驗(yàn)以椎體的物理中心點(diǎn)為原點(diǎn)，椎體類橢圓體的長(zhǎng)軸軸為Y軸、短軸為X軸、縱向軸為Z軸建立的三維坐標(biāo)系來(lái)進(jìn)行分析.

圖1椎體的空間三維結(jié)構(gòu)圖以及所用到的截面位置圖

2結(jié)果

椎體水平截面的分布隨著硅油的逐漸注入，①在中心水平截面上，硅油以注射點(diǎn)為圓心在水平面上呈類圓形向周圍流動(dòng)分布；同一時(shí)刻，從圓心向周圍，硅油的體積濃度逐漸降低.②在非中心水平截面上，硅油以通過(guò)注射點(diǎn)的中心水平截面的垂直軸與該截面的交點(diǎn)為圓心，呈類圓形向周圍流動(dòng)分布；同一時(shí)刻，從圓心向周圍硅油的體積濃度逐漸降低.③根據(jù)硅油分布面積曲線圖，在同一個(gè)時(shí)刻，兩個(gè)對(duì)稱的非中心水平截面上的硅油分布面積相同，過(guò)中心注射點(diǎn)水平截面上的硅油分布面積最大.

椎體縱行截面的分布隨著硅油的逐漸注入，①在中心縱行截面上，硅油以注射點(diǎn)為圓心在水平面上呈類圓形向周圍流動(dòng)分布；同一時(shí)刻，從圓心向周圍，硅油的體積濃度逐漸降低.②在非中心縱行截面上，硅油以通過(guò)注射點(diǎn)的中心縱行截面的垂直軸與該截面的交點(diǎn)為圓心，呈類圓形向周圍流動(dòng)分布；同一時(shí)刻，從圓心向周圍硅油的體積濃度逐漸降低.③根據(jù)硅油分布面積曲線圖，在同一個(gè)時(shí)刻，兩個(gè)對(duì)稱的非中心縱行截面上的硅油分布面積相同，通過(guò)中心注射點(diǎn)的縱行截面的硅油分布面積最大.A：t=1s椎體水平中心;B:(z=0）t=7s椎體水平中心;C:t=1s椎體水平中心上;D:t=1s椎體水平中心下;E:t=1s椎體縱行中心;F:t=7s椎體縱行中心;G:t=1s椎體縱行中心右側(cè)方;H:t=1s椎體縱行中心左側(cè)方.

圖2截面流動(dòng)分布圖

圖3水平三個(gè)截面上硅油擴(kuò)散區(qū)域變化

圖4縱行三個(gè)截面上硅油擴(kuò)散區(qū)域變化

3討論

前面實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成了在新鮮的干椎體標(biāo)本上進(jìn)行硅油注射的研究，但是只能觀察到其物理過(guò)程的分布結(jié)果，其動(dòng)態(tài)的物理流動(dòng)分布過(guò)程不能觀察到，無(wú)法對(duì)其流動(dòng)及分布規(guī)律做定性的準(zhǔn)確描述.因而采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)椎體進(jìn)行模擬，構(gòu)建椎體的多孔介質(zhì)模型.然后運(yùn)用Fluent軟件對(duì)流體流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬、Euler方法對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析.椎體內(nèi)部是由固態(tài)的骨小梁和孔隙組成的結(jié)構(gòu)，椎體內(nèi)骨小梁體積所占的比例比較?。?］,所以可以把它看成多孔介質(zhì).

因骨水泥相對(duì)于剪切率是非線性的流體，在應(yīng)用流體力學(xué)方法求解其流動(dòng)及分布規(guī)律的時(shí)候,其粘度不穩(wěn)定,會(huì)使其流動(dòng)及分布規(guī)律難以計(jì)算［3］.在此初步的研究過(guò)程中只需考慮流體分布,不涉及傳熱,在計(jì)算過(guò)程中影響流體分布的主要參數(shù)為孔隙率和滲透性以及流體的粘度，所以試驗(yàn)選用與骨水泥的粘度相匹配的10萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)粘度硅油作為注射流體來(lái)代替骨水泥做研究.且硅油物性穩(wěn)定、具有常數(shù)牛頓粘度、粘度相對(duì)溫度變化穩(wěn)定、相對(duì)于椎體二者的滲透性相似［4-5］.

椎體的內(nèi)部的滲透性和擴(kuò)散率在水平方向和縱行方向上的差別不是很大,在同一數(shù)量級(jí)上［4］，因此在模擬計(jì)算過(guò)程中將椎體內(nèi)部考慮為各項(xiàng)同性材料.對(duì)于一般的流體來(lái)說(shuō),不論是工程計(jì)算還是物理分析都將其看作連續(xù)介質(zhì),這是流體力學(xué)的基本原理和基本假設(shè)［6］.由于硅油粘度很大，經(jīng)計(jì)算在較短的注射時(shí)間內(nèi)重力作用的影響可以忽略，當(dāng)連續(xù)介質(zhì)在各項(xiàng)同性的物質(zhì)中流動(dòng)時(shí),在各個(gè)空間和時(shí)間上的流動(dòng)特性相似.根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析，椎體模型內(nèi)的孔隙,在未注入硅油以前是由空氣占據(jù),其時(shí)模型內(nèi)的硅油體積分?jǐn)?shù)均為零，圖中用藍(lán)色表示.當(dāng)開(kāi)始注入硅油以后,由于硅油與空氣不發(fā)生任何反應(yīng)，硅油開(kāi)始占據(jù)空氣原來(lái)占據(jù)的位置，空氣在硅油的推動(dòng)力下開(kāi)始向各個(gè)方向流動(dòng).硅油在椎體內(nèi)的各個(gè)空間和時(shí)間上的流動(dòng)特性相似,因而硅油在椎體內(nèi)以注射點(diǎn)為圓心呈類圓形向周圍流動(dòng).隨著注射的繼續(xù)，中心體積分?jǐn)?shù)接近１，然后硅油逐漸擴(kuò)張，周圍的體積分?jǐn)?shù)也逐漸增加.

從兩個(gè)流動(dòng)分布情況表可以看出，在同一個(gè)時(shí)刻，中心平面的分布面積最大，分別向周圍面積逐漸減小，且與中心平面對(duì)稱的平面上的面積分布趨勢(shì)相同.圖3跟總體規(guī)律不符合的地方，因?yàn)榉治龅钠矫嫒〉奶貏e的靠近，在工程計(jì)算的誤差容許的范圍之內(nèi)，總體的趨勢(shì)仍然是反映了這個(gè)規(guī)律.因而得到模擬骨水泥在椎體內(nèi)的流動(dòng)分布規(guī)律：以注射點(diǎn)為圓心，在經(jīng)過(guò)注射點(diǎn)的各個(gè)平面上，向各個(gè)方向呈類圓形流動(dòng)分布，成為一個(gè)類球體的結(jié)構(gòu).

實(shí)驗(yàn)做的是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，圖片選第1秒和第7秒，而忽略中間圖片，目的是為了達(dá)到表達(dá)其流動(dòng)分布的趨勢(shì).

這樣，根據(jù)試驗(yàn)得到的模擬骨水泥的定性流動(dòng)及分布規(guī)律，可以為椎體成形術(shù)的手術(shù)操作提供一定的理論指導(dǎo)，達(dá)到比較滿意的效果，同時(shí)減少滲漏等并發(fā)癥.但是實(shí)驗(yàn)只是對(duì)里面充滿空氣的新鮮干椎體進(jìn)行模擬計(jì)算分析.活體椎體內(nèi)部是充滿血液和骨髓的，并且血液是在流動(dòng)的，實(shí)際的椎體是具有可能滲漏的孔隙的，一個(gè)固定的可能滲漏的孔隙就是椎體后壁的靜脈孔.這就需要進(jìn)一步的做工作，對(duì)椎體的結(jié)構(gòu)達(dá)到更準(zhǔn)確的模擬，從而可以計(jì)算出骨水泥在椎體內(nèi)的定量分布規(guī)律，可以為臨床的工作提供更精確可靠的指導(dǎo)，做到在不滲漏的情況下盡可能多的去充滿椎體，達(dá)到盡可能滿意的效果.

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