论文总字数：25551字

摘 要

本文主要介绍了针对预防腰椎手术术后并发对侧神经根症状的MEMS传感器的设计。该MEMS传感器用来检测术中对侧神经根所受到到的压力，为医生术中的操作分寸提供一个量化的参考，以期改善术后并发对侧神经症状。

该MEMS传感器使用绝压式压力传感器，为贴合术中安置位置，即椎弓根与神经根之间的缝隙，将传感器封装顶部和底部均设计为弧形。由于传感器在测量时需放置于一刚性外壳中，因而封装外形设计为圆柱形，底部及四周支撑材料采用医疗器械中常用的不锈钢材质，内部填充选用硅橡胶或硅凝胶。在后续的仿真实验中分别对两种材料进行讨论。

在设计过程中，重难点集中在传感器精度和灵敏度的控制，其与压力传导、封装尺寸及形状密切相关。通过对比量程和尺寸等方面数据选取合适的传感器芯片，参照神经根解剖尺寸，设计传感器的尺寸。使用SOLIDWORKS建立传感器的三维模型，通过ANSYS软件仿真，得到不同材料封装结构内部的应力分布情况，通过对比，决定采用硅凝胶作为填充层材料，使用硅橡胶作为涂敷层材料。

传感器在测量过程中由于自身的高度会使神经根与椎弓根分离，进而导致吊床效应的产生。本文对吊床效应理论进行了分析，并提出了增加缓冲区以减小误差的设想。

关键词：术后并发对侧神经症状，MEMS压力传感器，椎弓根，神经根，吊床效应

A STUDY ON MEMS SENSOR FOR PREVENTING CONTRALATERAL NEUROLOGIC DEFICITS FOLLOWING LUMBAR SURGERY

Abstract

The dissertation mainly introduce the design of MEMS sensor for preventing contralateral neurologic deficits following lumbar surgery. This MEMS sensor is used to detect the pressure placed on the contralateral nerve root during lumbar surgery and provide a vectorized referencing for doctor's operation, and in the hope of improving the contralateral neurologic deficits following lumbar surgery.

The MEMS sensor is an absolute pressure sensor. For fitting the riding position, the gap between the pedicular and the nerve root, I design the sensor's top and bottom as arc. When the sensor is detecting, it need to be placed in a solid shell to avoid the influence of the environment, thus the packaging shape is designed as a cylinder. The sensor's bottom and periphery use the stainless steel, which is widely used in medical devices. The stuffing material choose the silicon rubber and the silicone gel. I will talk over them in the subsequent simulations experiments.

In the design process, the key problems focus in the sensor's precision and sensitivity control, and that is closely related to pressure conduction, package size and shape. By contrast the pressure range and the sensor size to select the right sensor chip. Reference Nerve Root anatomical dimensions to design the sensor size. Use the Solidworks to bulid the sensor's three-dimensional model, and use the Ansys to simulations. Then I get the stress distribution of different material packaging structures. By comparison, I choose the silicon gel as the stuffing material and the silicon rubber as the coating material.

When sensor detecting the pressure, the height of the sensor separate the nerve root separate from the pedicular , and result in the Hammocking Effect. The dissertation analyses the Hammocking Effect and suggest a structure to reduce the negative effect.

KEY WORDS: contralateral neurologic deficits following lumbar surgery, MEMS pressure sensor, pedicular, nerve root, hammocking effect

目 录

摘 要 3

Abstract 4

目 录 5

第一章 绪 论 7

1.1 引言 7

1.2 对侧神经症状发病机理的研究现状 7

1.3腰椎手术术后并发对侧神经症状MEMS传感器设计的研究内容 8

1.3.1课题研究内容及研究目标 8

1.3.2课题研究重点及难点 8

1.3.3课题研究主要技术手段 9

1.4本文章节安排 9

第二章 术后并发对侧神经症状MEMS传感器设计基本理论 10

2.1 神经根损伤的检测手段 10

2.1.1组织学观察（光学显微镜观察） 10

2.1.2电生理检测 10

2.2 神经根所受压力与神经根损伤的关系 10

2.3 神经根的生物力学模型 11

2.4 医用器械消毒方式 11

2.4.1干热灭菌法 12

2.4.2湿热灭菌法 12

2.4.3辐射灭菌法 12

2.4.4紫外线灭菌法 12

2.4.5环氧乙烷灭菌法 12

2.4.6臭氧灭菌法 12

2.5 MEMS压力传感器的工作原理 13

2.5.1电容式压力传感器 13

2.5.2压阻式压力传感器 13

2.5.3压电式压力传感器 14

2.6 MEMS压力传感器的性能指标 14

2.6.1量程 14

2.6.2精度 14

第三章 术后并发对侧神经症状MEMS传感器方案设计 15

3.1 芯片选取 15

3.2 芯片封装设计 15

3.2.1封装结构 15

3.2.2封装尺寸 16

3.2.3气密性设计 17

3.2.4封装材料 17

第四章 建模分析 19

4.1 仿真软件介绍 19

4.2 建模方法 19

4.2.1建立几何模型 20

4.2.2前处理阶段 20

4.2.3求解阶段 22

4.2.4后处理阶段 22

4.3 仿真结果 22

4.3.1单一材料（硅橡胶）封装 22

4.3.2单一材料（硅凝胶）封装 23

4.3.3双层材料封装 24

4.4 结果分析 26

第五章 误差分析 27

5.1 吊床效应 27

第六章 总结与展望 30

致 谢 31

参考文献（References） 32

第一章 绪 论

1.1 引言

脊椎是人体躯干的主要组成机构，它主要有5个部分，包括颈、胸、腰、骶和尾。成人的脊柱有34块椎骨，由于腰尾椎之间不存在椎间盘，故有23个椎间盘。人体椎间盘是由结缔组织构成，它连接着上下的椎体，吸收震荡波，起到弹性垫的功效。椎间盘的丝毫改变都会影响其正常的功能，使其不能将受到的压力吸收再向纤维环及软骨板的各个方向传递。脊神经的前后根分别从脊椎椎弓根的前后外侧发出，在椎间孔处汇合形成脊神经根，脊神经根共有31对：颈段8对，胸段12对，腰段5对，骶段5对，尾段1对。而侧隐窝是椎体孔两侧向外凹陷的部分，形成脊神经根通道。

脊神经根中腰骶部分的L₄、L₅和S₁神经根较粗，而相对位置的侧隐窝又相对狭小。相比周围神经，神经根缺少神经束膜和神经外膜，其轴突仅有较薄的神经内膜和脑脊液包围，因此神经根的抗牵拉能力远远弱于周围神经的。同时腰骶部也是应力最集中的区域，故腰骶部最易发生退变和损伤，因而引发各种腰腿症状^[1]。

目前临床上治疗腰椎疾病有保守疗法和手术疗法等，保守疗法可能会治标不治本、引起反复、难以根治，而手术疗法可能会带来术后并发症的困扰。除了一般情况下牵拉同侧出现症状如下肢出现麻木或神经相应支配区肌力下降，某些情况下还可能出现对侧神经症状。造成这一情况的原因，很大程度上要归咎于术中操作造成神经根的牵拉性损伤。^[2]这是由于医师需要在神经根和脊神经附近进行腰椎手术操作，为暴露手术操作区域需要牵拉神经根，如若牵拉神经根尺度不足，则会导致手术域暴露不足，手术操作困难，而如果牵拉时用力过大，则就容易引起神经根的牵拉损伤。而神经根在脊椎管是滑动的，并不是固定不动的，具有粘弹性，因此当牵拉手术侧的神经根过度，会挤压对侧神经根造成对侧神经根的损伤。^[7]因此如何确定术中牵拉的最大尺度成为预防术后对侧神经症状的一个思路。

目前对神经根损伤的监控主要是通过电生理监测实现的，但在手术过程中进行电生理监测需要多次中断手术进程，并且电生理监测的引入必然造成手术时间和成本的增加。^[3]因此，人们希望能够设计出一种监控神经根损伤的低成本方案。

本文所研究的MEMS传感器正是基于这一思路，采用绝压式压力传感器，实时测量术中对侧神经根所受到的压力。以此为医师术中操作提供量化数据作为参考，从而达到帮助预防对侧神经根过度牵拉损伤的目的。通过对封装尺寸、外形、材料的设计，以期减小测量的误差，提高精度。

1.2 对侧神经症状发病机理的研究现状

目前已有多个团队开展了相关的研究。山东大学的徐鹏博士以大鼠的腰5为实验对象，改变牵拉程度和牵拉速度两个参数来进行实验，从病理学上分析认为由于神经根内缺少淋巴系统，当损伤发生后，渗出的血清蛋白清除困难最终引起局部纤维化^[4]。湖南马王堆医院的研究团队通过22例患者病情分析，认为术后产生术对侧下肢痛的原因可能是由于神经根变异、术后腰椎不稳、椎管狭窄、另一间隙新的突出等。^[5]南宁市解放军第303医院的医疗团队以991例腰椎滑脱病人为研究对象，对迟发性脊神经及马尾损伤的原因进行研究。在实验中建立病例组和对照组，其病史长短、病情严重与否、是否高位腰椎手术、术中出血量均无明显差异。通过讨论分析得出结论，术中神经根及硬膜囊牵拉时间较长、牵拉力量过大才是是造成脊神经和马尾损伤的重要原因^[6]。

吉林大学的刘亚东医师对就诊于吉林白求恩第一医院的患者进行统计，分析其术前术后临床表现，影像学表现，及短期神经症状缓解情况，认为可能有以下两点因素会导致术后对侧神经根症状，即手术牵拉和非特异性炎症反应^[3]。

1.3腰椎手术术后并发对侧神经症状MEMS传感器设计的研究内容

1.3.1课题研究内容及研究目标

腰椎手术要在神经根附近进行操作，为了暴露手术区域，需要对神经根进行牵拉操作。在牵拉神经根过程中，如果用力不足，则会导致手术区域暴露不足，影响手术的进行，而反之如果牵拉是用力过度，又会导致神经根受到损伤，且神经根具有粘弹性，当手术侧神经根受到牵拉发生滑动时，亦会对对侧神经根产生拉力，造成牵拉损伤^[7]，如何确定术中牵拉的最大尺度成为预防术后对侧神经症状的一个思路。

本课题正是基于这一思路，研究腰椎手术术中操作对未牵拉侧的不理影响及神经组织的生物力学特性，设计MEMS传感器来在术中实时监测未被牵拉的对侧神经根受到的压力情况，以此为医师进行神经根牵拉等手术操作提供一定的量化参考，以期帮助预防对侧神经根过度牵拉损伤。

1.3.2课题研究重点及难点

在设计MEMS压力传感器封装和性能的过程中，重难点集中在传感器精度和灵敏度的控制，其与压力传导、封装尺寸及形状密切相关。

1)压力传导

MEMS压力传感器安放在椎弓根和神经根之间，其受到的应力不仅包括径向力，还有切向力。而且在手术过程中，需要传感器能够实时的反馈对侧神经根的受压情况，因而良好的压力传导至关重要。

2)封装尺寸

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