CN105581832B - 个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定及制备方法，弹性模量确定方法包括：对目标脊柱进行CT扫描并重建三维模型，赋予材料属性，建立目标脊柱的有限元分析模型，分析得出目标脊柱的弹性模量梯度分布规律，针对目标脊柱和椎弓根钉棒系统之间的装配关系，结合目标脊柱的弹性模量梯度分布规律，采取插值法得到椎弓根钉棒系统的弹性模量；制备方法包括采用采用金属烧结技术制备弹性模量满足要求的椎弓根钉棒系统。本发明与个体脊椎生物力学特性匹配良好，椎弓根钉、棒应力分布更加均匀合理，更加符合固定要求，能够为下一步新型材料的研发、手术方式及手术器械的优化设计并建立相关数据库提供科学依据。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定及制备方法。
背景技术
脊柱后路椎弓根螺钉内固定术可为脊柱(特别是后柱)提供坚强的可靠的支撑，有利于脊柱的骨性融合，广泛应用于脊柱创伤、畸形及退行性变等疾病的治疗。良好的椎弓根钉棒系统内固定植入物应具备以下几个条件：①良好的生物相容性；②足够高的强度和稳定的固定；③尽量少的并发症并能促进椎体间愈合，即要求在骨折治疗中不仅要求固定切实可靠，同时减小椎体间的剪切应力和应力遮挡，有利于早期功能锻炼，促进椎间骨质愈合。应力遮挡在骨质愈合早期提供稳定固定，在后期对骨质愈合与骨痂建立产生负面影响——使骨质愈合、骨痂生长缺乏应力刺激而使骨重建负平衡，导致骨密度降低、骨结构紊乱、骨质疏松等。
目前采用的脊柱后路椎弓根钉棒内固定植入物材质均一，整体上符合人体脊椎骨的弹性模量，但是人体脊柱弹性模量分布不均和个体差异存在，且需术者在术中根据脊柱生理弯曲弧度折弯连接棒，故存在椎弓根钉棒与人体脊柱生理弯曲不符、与脊椎骨弹性模量不匹配现象，发生剪切应力或应力遮挡，导致内固定物松动、断裂、脊椎骨局部骨质疏松、椎间融合延迟愈合甚至不融合等并发症。因此，研究和开发符合人体对应节段脊椎的生物力学性能的脊柱后路钉棒内固定系统即基于弹性模量配准的个性化脊柱后路椎弓根钉棒内固定系统是研发新型内固定植入物的方向之一，对指导科研人员寻找新型的内固定材料有重要的价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有脊柱后路椎弓根钉棒内固定系统与人体不同节段脊柱弹性模量不匹配的技术难题，提供一种与个体脊椎生物力学特性匹配良好，椎弓根钉、棒应力分布更加均匀合理，更加符合固定要求，能够为下一步新型材料的研发、手术方式及手术器械的优化设计并建立相关数据库提供科学依据的个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定及制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法，步骤包括：
1)对待固定的目标脊柱进行CT扫描，将CT扫描数据利用医学影像控制系统重建目标脊柱的三维模型；
2)利用医学影像控制系统赋予目标脊柱中各个腰椎、椎间盘的材料属性，所述材料属性包括腰椎或椎间盘的弹性模量及分布、泊松比；
3)建立目标脊柱的有限元分析模型，通过所述有限元分析模型在指定的不同工况、载荷以及指定的接触定义、约束条件下分析得出目标脊柱的弹性模量梯度分布规律；
4)根据手术要求在机械绘图软件中绘制椎弓根钉棒系统，针对目标脊柱和椎弓根钉棒系统之间的装配关系，结合目标脊柱的弹性模量梯度分布规律，采取插值法得到椎弓根钉棒系统的弹性模量。
优选地，所述步骤2)中利用医学影像控制系统赋予目标脊柱中各个腰椎、椎间盘的材料属性时，各个腰椎、椎间盘的弹性模量的计算函数表达式如式(1)所示；
E-Modulus＝-388.8+5925*Density (1)
式(1)中，E-Modulus为弹性模量，Density为密度，密度Density的计算函数表达式如式(2)所示；
Density＝-13.4+1017*Hu (2)
式(2)中，Density为密度，Hu为CT扫描的灰度值。
优选地，所述步骤2)中利用医学影像控制系统赋予目标脊柱中各个腰椎、椎间盘的材料属性时，各个腰椎、椎间盘的泊松比的值为0.3。
本发明还提供一种个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统的制备方法，步骤包括：
S1)采用前述个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法确定椎弓根钉棒系统的弹性模量；
S2)采用金属烧结技术制备弹性模量满足要求的椎弓根钉棒系统。
本发明个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法具有下述优点：本发明对目标脊柱进行CT扫描并重建三维模型，赋予各个腰椎、椎间盘的材料属性；建立目标脊柱的有限元分析模型，通过所述有限元分析模型在指定的不同工况、载荷以及指定的接触定义、约束条件下分析得出目标脊柱的弹性模量梯度分布规律；根据手术要求在机械绘图软件中绘制椎弓根钉棒系统，针对目标脊柱和椎弓根钉棒系统之间的装配关系，结合目标脊柱的弹性模量梯度分布规律，采取插值法得到椎弓根钉棒系统的弹性模量，从而使得个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统与个体脊椎生物力学特性匹配良好，椎弓根钉、棒应力分布更加均匀合理，更加符合固定要求，能够为下一步新型材料的研发、手术方式及手术器械的优化设计并建立相关数据库提供科学依据。
本发明个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统的制备方法具有下述优点：本发明制备方法是本发明个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法的进一步应用，包括采用金属烧结技术制备弹性模量满足要求的椎弓根钉棒系统，使得椎弓根钉棒系统的材料属性满足弹性模量要求，制备得到的个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统与个体脊椎生物力学特性匹配良好，椎弓根钉、棒应力分布更加均匀合理，更加符合固定要求，能够为下一步新型材料的研发、手术方式及手术器械的优化设计并建立相关数据库提供科学依据。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例中重建得到的目标脊柱的三维模型。
图3为图2的局部放大结构示意图。
图4为本发明实施例中部分腰椎的网格模型。
图5为本发明实施例中部分椎间盘的网格模型。
图6为本发明实施例中腰椎和椎间盘组合的网格模型。
具体实施方式
下文以待固定的目标脊柱的四种不同尺寸的椎弓根钉棒系统A、B、C、D的特例，首先以椎弓根钉棒系统A的弹性模量确定为例，对本发明个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法进行进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法的步骤包括：
1)对待固定的目标脊柱进行CT扫描，将CT扫描数据利用医学影像控制系统重建目标脊柱的三维模型，如图2所示，其局部放大结构如图3所示；本实施例中，医学影像控制系统具体采用Mimics医学影像控制系统，可用于基于CT扫描Dicom数据重建目标对象的三维模型，以及为目标对象赋予材料属性，以便后续进行完整的有限元分析；
2)利用医学影像控制系统赋予目标脊柱中各个腰椎、椎间盘的材料属性，所述材料属性包括腰椎或椎间盘的弹性模量及分布、泊松比；
3)建立目标脊柱的有限元分析模型，通过所述有限元分析模型在指定的不同工况、载荷以及指定的接触定义、约束条件下分析得出目标脊柱的弹性模量梯度分布规律；本实施例中部分腰椎的网格模型如图4所示，部分椎间盘的网格模型如图5所示，上述腰椎和椎间盘组合的网格模型如图6所示；需要说明的是，在已经得知目标脊柱的材料属性的情况下，对目标脊柱建立有限元分析模型并进行有限元分析计算得到每一个分段的弹性模量平均值为目前有限元分析软件的常规功能，本实施例仅仅是利用有限元分析软件作为工具，并不涉及有限元分析方法的改进，因此其具体细节在此不再赘述；
4)根据手术要求在机械绘图软件中绘制椎弓根钉棒系统A，针对目标脊柱和椎弓根钉棒系统A之间的装配关系，结合目标脊柱的弹性模量梯度分布规律，采取插值法得到椎弓根钉棒系统A的弹性模量。本实施例中，椎弓根钉棒系统A包括两路椎弓根钉，每一路椎弓根钉中的椎弓根钉之间通过连接棒相连，两路椎弓根钉通过连接棒之间的棒间连接件相连，在机械绘图软件中绘制椎弓根钉棒系统A时，手术要求具体是指根据脊柱节段弯曲弧度特征、手术固要求及国家医药行业标准的要求。
本实施例中，步骤2)中利用医学影像控制系统赋予目标脊柱中各个腰椎、椎间盘的材料属性时，各个腰椎、椎间盘的弹性模量的计算函数表达式如式(1)所示；
E-Modulus＝-388.8+5925*Density (1)
式(1)中，E-Modulus为弹性模量，Density为密度，密度Density的计算函数表达式如式(2)所示；
Density＝-13.4+1017*Hu (2)
式(2)中，Density为密度，Hu为CT扫描的灰度值。
本实施例中，步骤2)中利用医学影像控制系统赋予目标脊柱中各个腰椎、椎间盘的材料属性时，各个腰椎、椎间盘的泊松比的值为0.3。
为了验证本实施例个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统A弹性模量确定方法的准确性，本实施例采用模拟仿真手术进行验证。首先，在医学影像控制系统中将待固定的目标脊柱的三维模型和椎弓根钉棒系统A进行装配来模拟仿真内固定手术；然后，在有限元分析软件中模拟在不同工况、载荷和特定的接触定义、约束条件下，得到椎弓根钉棒系统A和目标脊柱的应力分布云图。最终验证分析得出，如果椎弓根钉棒系统A各个分段的材料属性满足对应分段的弹性模量平均值要求，则能够解决椎弓根钉棒系统A与人体不同节段脊柱弹性模量不匹配的技术难题。
在确定椎弓根钉棒系统A的弹性模量的基础上，进一步参照前述方法分别获得首先确定椎弓根钉棒系统B、C、D的弹性模量。然后，分别针对相同的工况、载荷和特定的接触定义、约束条件进行有限元分析比较器生物力学匹配程度，确定生物力学匹配最佳的椎弓根钉棒系统。本实施例中，最终确定的生物力学匹配最佳的椎弓根钉棒系统为椎弓根钉棒系统A。
此外，也可以应用本实施例个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法及3D打印技术中的金属烧结技术来实现椎弓根钉棒系统A的制备，制备方法步骤包括：
S1)采用本实施例前述个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法确定椎弓根钉棒系统A的弹性模量；
S2)采用金属烧结技术制备弹性模量满足要求的椎弓根钉棒系统A(椎弓根钉、连接棒、棒间连接件)，得到的椎弓根钉棒系统A不仅外在符合脊柱的生理弧度弯曲，而且内在符合人体脊柱骨材料属性，即弹性模量相匹配，生物力学性能好，得到的椎弓根钉棒系统A与个体脊椎生物力学特性匹配良好，椎弓根钉、棒应力分布更加均匀合理，更加符合固定要求，能够为下一步新型材料的研发、手术方式及手术器械的优化设计并建立相关数据库提供科学依据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法，其特征在于步骤包括：
1）对待固定的目标脊柱进行CT扫描，将CT扫描数据利用医学影像控制系统重建目标脊柱的三维模型；
2）利用医学影像控制系统赋予目标脊柱中各个腰椎、椎间盘的材料属性，所述材料属性包括腰椎或椎间盘的弹性模量及分布、泊松比；
3）建立目标脊柱的有限元分析模型，通过所述有限元分析模型在指定的不同工况、载荷以及指定的接触定义、约束条件下分析得出目标脊柱的弹性模量梯度分布规律；
4）根据手术要求在机械绘图软件中绘制椎弓根钉棒系统，针对目标脊柱和椎弓根钉棒系统之间的装配关系，结合目标脊柱的弹性模量梯度分布规律，采取插值法得到椎弓根钉棒系统的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法，其特征在于，所述步骤2）中利用医学影像控制系统赋予目标脊柱中各个腰椎、椎间盘的材料属性时，各个腰椎、椎间盘的弹性模量的计算函数表达式如式（1）所示；
E-Modulus = -388.8+ 5925*Density （1）
式（1）中，E-Modulus为弹性模量，Density为密度，密度Density的计算函数表达式如式（2）所示；
Density = -13.4 +1017*Hu （2）
式（2）中，Density为密度，Hu为CT扫描的灰度值。
3.根据权利要求2所述的个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法，其特征在于，所述步骤2）中利用医学影像控制系统赋予目标脊柱中各个腰椎、椎间盘的材料属性时，各个腰椎、椎间盘的泊松比的值为0.3。
4.一种个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统的制备方法，其特征在于步骤包括：
S1）采用权利要求1～3中任意一项所述个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定方法确定椎弓根钉棒系统的弹性模量；
S2）采用金属烧结技术制备弹性模量满足要求的椎弓根钉棒系统。
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