CN107349003A - 一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板及制备方法，涉及医疗器具领域，本发明解决腰椎的椎弓根螺钉精确的定位和导向的问题，导板使用3D打印技术进行实物打印。该导板包括：导板一块以及两个椎弓根螺钉的进钉导向通道；导板的下曲面与腰椎椎骨的表面反向一致；螺钉进钉通道的位置与角度经有限元受力分析后确定并在导板上曲面向外部延伸30mm~50mm。导向钉道能够使椎弓根螺钉准确进入人体腰椎预防螺钉错位和椎弓根的断裂风险。通过上述方式本发明能够在手术前确定进钉点的位置和角度通过三维重建能够便于帮助医疗人员观察，在手术中实体手术导板可以作为对椎弓根螺钉进钉位置与方向进行精确定位的辅助治具，提高手术成功率。

Description

一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板及制备方法

技术领域

本发明涉及医疗器具领域，尤其是涉及一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板及制备方法。

背景技术

近年来由于医学成像设备和计算机软硬件的飞速发展，医学断层切片图像的三维重建已经引起了广泛的注意并进一步临床诊断方面实现了应用，用时对医学诊断、治疗创造了有利的技术支持，并为生物3D打印技术提供了基础磐石。三维重建技术，能够在任何方向上和任何角度进行观察，可由三维图像在旋转的过程中深入观察解剖结构、病患范围和位置的之间的空间关系，这种技术能够为临床医生解决二维影像观察不方便、不行西等问题，并为手术方法和手术路径的选择提供了重要依据。另外，手术导板（手术引导板是手术工具进行精确定位的辅助治具）能够根据患者特点和病变骨表面的特点进行符合每个患者的个性化设计，使用时只需紧贴骨面，即可对手术工具有效定位。通过手术导板的使用避免了先前医生通过视觉观测和简单的尺子工具测量造成的巨大错误和手术风险，提高手术效率和成功率。

二十一世纪以来，通过使用有限元分析对骨科生物力学的研究不断发展， 有限元模型逐渐应用于人体骨骼生物力学分析，有限元分析方式测试所需时间少、成本小、力学性能测试全面、可重复性好、可以准确反映解剖学结构特点，虚拟仿真手术方式及过程。当前3D打印机可以将精度达到0.1mm，这一点极大的提升了手术精确度，从而提高手术的速度和效率降低了手术事故风险，确保手术成功。

本研究设计正是在这样的背景下提出的。本研究为腰椎的椎弓根螺钉进钉精确的定位和导向，提供了一种快速的、利用有限元受力分析来计算腰椎受力大小和位移大小来确定入钉导向的、进行曲面拟合更接近于真实解剖学形态的个性化腰椎螺钉植入定位导向的医疗器具及其制备方法。

发明内容

为了实现对腰椎椎体进行有限元受力分析来辅助确定腰椎的椎弓根螺钉进钉精确的定位和导向,本发明的目的是提供一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板及制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：

一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板，运用3D打印技术将其打印实物用于手术过程。其中包括：导板一块、左右两个椎弓根螺钉进钉通道；所述导板的下曲面与腰椎椎骨后椎板表面反向一致，上曲面与椎骨表面一致；螺钉进钉通道的位置与角度经有限元受力分析后确定，螺钉通道在导板上曲面向外部延伸30mm~50mm。导向钉道能够让椎弓根螺钉准确进入人体腰椎，能够预防螺钉错位和椎弓根的断裂的手术风险，能够让手术操作变得简便容易。

进一步所述的一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板，导板可以安装在1到5号腰椎的任意一块后椎板上，导板上设置与螺钉进钉位置角度一样的螺钉导向通道其数目为所需螺钉个数保持一致，导板体积小且不需要导板棘突孔。

进一步所述的一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板体积小设计于两个椎骨棘突之间不需要设计棘突孔，椎弓根螺钉导向通道设计在了导板的两侧。

进一步所述的导板上的螺钉导向通道，分别设计位于导板的左右两侧互不干扰，且于进钉孔道反向一致。

进一步所述的进钉孔道，其中进钉点位置与角度是在对腰椎椎骨进行有限元的力学计算分析之后确定的。

进一步，所述的进钉导向通道，导板上的进钉孔避开了椎骨的棘突分列在导板的左右两侧，并由导板的上曲面向外延伸30mm~50mm。

进一步，一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板，导板底部曲面能够与患者腰椎椎骨表面紧密贴合，且导板拥有与腰椎椎骨椎板表面形状一致的上曲面。

本发明还公开了一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板制作方法：

步骤１：采集病患的MPI和CT生成的医学图像的标准数据——DICM数据；

步骤２：通过Mimics17.0之中的选项New Project进行新项目的建立，并导入DICOM数据确定CT导入的三维方向后将其转化为可以进行研究模型；

步骤３：选择semgentation中的thresholding选项进行阈值分割，之后选择RegionGrowing选项进行区域生长运算，选择segentation中的Edit mask in 3D现象建立三维模型通过Remove选择自己需要的部位之后生成蒙板；

步骤４：选择masks中的calculate 3D选项对选择的蒙板建立三维模型，通过export中的Binary STL选项将三维模型导出并保存为STL格式文件；

步骤５：打开Geomagic studio，导入步骤4中所获得腰椎三维模型的STL文件，利用多边形中的“重画网格”、“去除特征”、“流形”、“删除钉状物”、“减少噪声”、“细化”、“打磨”、“光顺”及精确曲面化中的的“自动曲面化”、“拟合曲面”等功能对椎骨的三维模型进行处理，得到与腰椎椎体的真实曲面十分近似的三维可视化模型并另存为iges格式的文件；

步骤６：打开ANSYS 17.0，导入在步骤5 中所获得的优化后的三维模型的iges文件，首先对模型进行预处理结构离散化并生成有限元网格、设置材料属性、引入载荷与边界条件、接触关系定义（主要选择自由度和集中力载荷），接着对已经建立的有限元模型实施加载并进行求解，计算得出相应的位移和应力，表示在ANSYS结果云图中；

步骤７：根据步骤6中分析得到的结果云图选取受力适中、位移较小的椎骨位置，以此为标准来确定椎弓根螺钉的进钉位置点和进钉角度；

步骤８：根据步骤7中确定的进钉点位置和进钉角度，在Mimics17.0中找到相应的位置并放置椎弓根螺钉，经过Boolean计算后会的确定的最佳进钉通道；

步骤9：在Geomagic studio中选取椎弓根螺钉已确定位置周边的的椎体棘突、椎板后部及部分关节突的解剖形态学，创建与所提取到的解剖形状一致的、厚度为5mm~7mm的反向模板，并与步骤7中的最佳进钉通道举行拟合、优化等一系列的操作，最终获得带有导向通道的个体化螺钉置入导板，结果保存为STL格式文件；

步骤10：将步骤９获得的导板的STL文件导入3D打印机进行实体打印，得到可以手术使用的螺钉植入导板实体。

进一步，所述的进钉通道在腰椎椎弓根螺钉植入手术根据手术需要和有限元力学分析后得出的结果，选择最为适合的进钉位置点和进钉角度，其中优选进钉位置点在腰椎侧块的中点附近，在25度到60度之间的角度选取为最佳进钉角度。

进一步，与步骤8的Geomagic studio中提取的形态解剖曲面进行曲面拟合更接近解剖形态学。

进一步，步骤7膨胀操作设置的导板厚度为5mm~7mm。

在模拟手术和手术进行时,将导板贴附于腰椎椎骨的骨面后方并将其固定，通过导板的进钉导向通道在腰椎椎骨上钻孔,此项完成后再将手术导板去除再植入椎弓根螺钉，结束对导板的使用。

对比目前存在的技术，本发明含有的更好得工作效果是：对腰椎椎骨进行有限元受力分析，全面的分析椎骨的受力情况更好的帮助医生选择进钉点的位置与角度，确保手术的高效性和精确性；椎骨曲面优化可以使椎骨三维重建更加接近于生态学解剖形状更利于观察；手术时使用导板的个数随患者的个人情况确定，能够做到多个、不同的腰椎椎弓根螺钉进行导向；导板下部平面与椎骨表面进行曲面拟合，使导板与腰椎椎骨的骨面贴合十分紧密，方便手术时安装固定与手术操作； Geomagic studio中与最佳进钉通道进行拟合、优化，最终设计出的带有导向孔孔道的个体化植入导板能够使进钉孔位置与角度更加准确。

附图说明

图1：人体腰椎CT影像图（左上：冠状位；左下：矢状位；右上：水平位）。

图2：腰椎椎骨三维重建及腰椎椎骨有限元受力分析结果云图。

图3：实例１导板１示意图。

图4：实例2导板2示意图。

图5：实例3导板3示意图。

图6：腰椎的椎弓根螺钉置钉位置、角度示意图。

图7：导板安装示意图。

附图中各部件标记如下：1、导板；2、左进钉通道；3、右进钉通道；4、导板下部曲面；5、导板上曲面；6、导板左侧面；7、导板右侧面；8、前表面；9、后表面；10、横向支撑杆；11、腰椎椎体；12、椎弓根螺钉；13、进钉通道；14、腰椎棘突；15、腰椎后椎板。

具体实施方式

实例１一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板

一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板，其中包含了实体导板1，能够覆盖在腰椎椎骨后骨面上；在导板的上板面还设置了左进钉导向通道2和右进钉导向通道3分别位于导板的两侧长为35mm，导向通道内孔道半径分别为1mm，进钉导向通道的方向与椎弓根螺钉的进入方向一致，经过进钉通道椎弓根螺钉能够十分精确地置入腰椎椎骨；进钉通道的位置与方向在对腰椎椎骨进行有限元受力分析后确定；导板1下曲面4与椎骨的骨面反向一致并向上垂直膨胀增厚形成了导板的上曲面5，导板厚度为7mm；且导板左侧面6与右侧面7延伸至椎骨外侧有利于将导板牢固的卡在椎骨上面；导板1前表面8与后表面9均为平面方便手术过程中导板的安装使用。本发明提出的个性化导板进行3D打印的制作原料选用医用光敏树脂。

在模拟手术和手术进行时,将导板紧密地安装于腰椎椎骨的后骨面并将其固定，经过个性化导板的安装，穿过螺钉导向通道在腰椎椎骨上钻孔，孔道做好之后再将手术导板去除，完成对导板的使用并去除之后植入螺钉完成手术。

实例2 一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板

一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板，其中包含了实体导板1，能够覆盖在腰椎椎骨后骨面上；在导板的上板面还设置了进钉导向通道2和进钉导向通道3分别位于导板的两侧长为45mm，进钉导向通道内孔道半径为1mm，通道的导入方向和椎弓根螺钉的入钉方向一致，通过进钉通道螺钉能够十分精准地置入腰椎椎骨；进钉通道的位置与方向在对腰椎椎骨进行有限元受力分析后确定；导板1下曲面4与椎骨的骨面反向一致并向上垂直膨胀增厚形成了导板的上曲面5，导板厚度为5mm；且导板左侧面6与右侧面7延伸至椎骨外侧有利于将导板卡在椎骨上面；导板1前表面8与后表面9均为平面方便手术过程中导板的安装使用。本发明提出的个性化导板进行3D打印的制作原料选用医用光敏树脂。

在模拟手术和手术进行时,将导板紧密地安装于腰椎椎骨的后骨面并将其固定，经过个性化导板的安装，穿过螺钉导向通道在腰椎椎骨上钻孔，孔道做好之后再将手术导板去除，完成对导板的使用并去除之后植入螺钉完成手术。

实例3 一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板。

一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板，其中包含了实体导板1，能够覆盖在腰椎椎骨后骨面上；在导板的上板面还设置了进钉导向通道2和进钉导向通道3分别位于导板的两侧长为30mm，进钉导向通道内孔道半径为1.5mm，通道的导入方向和椎弓根螺钉的入钉方向一致，通过进钉通道螺钉能够十分精准地置入腰椎椎骨；进钉通道的位置与方向在对腰椎椎骨进行有限元受力分析后确定；导板1下底部曲面4与椎骨的骨面反向一致并向上垂直膨胀增厚形成了导板的上曲面5，导板厚度为5mm；由于所选的导板区域不经过棘突但中间位置曲面薄弱，设置了导板1上的横向支撑杆10，连接和支撑手术导板同时方便手持安装；且导板左侧面6与右侧面7延伸至椎骨外侧有利于将导板卡在椎骨上面；在手术过程中为了方便导板的安装和使用导板1前表面8与后表面9均设计为平面。本发明提出的个性化导板进行3D打印的制作原料选用医用光敏树脂。

在模拟手术和手术进行时,将导板紧密地安装于腰椎椎骨的后骨面并将其固定，经过个性化导板的安装，穿过螺钉导向通道在腰椎椎骨上钻孔，孔道做好之后再将手术导板去除，完成对导板的使用并去除之后植入螺钉完成手术。

实例4一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板的制备方法。

基于有限元力学分析的个性化腰椎螺钉植入导板的制备方法为。

步骤１：采集病患的MPI和CT生成的医学图像的标准数据——DICM数据。

步骤２：通过Mimics17.0之中的选项New Project进行新项目的建立，并导入DICOM数据确定CT导入的三维方向后将其转化为可以进行研究模型。

步骤３：选择semgentation中的thresholding选项进行阈值分割，之后选择RegionGrowing选项进行区域生长运算，选择segentation中的Edit mask in 3D现象建立三维模型通过Remove选择自己需要的部位之后生成蒙板。

步骤４：选择masks中的calculate 3D选项对选择的蒙板建立三维模型，通过export中的Binary STL选项将三维模型导出并保存为STL格式文件。

步骤５：打开Geomagic studio，导入步骤4中所获得腰椎三维模型的STL文件，利用多边形中的“重画网格”、“去除特征”、“流形”、“删除钉状物”、“减少噪声”、“细化”、“打磨”、“光顺”及精确曲面化中的的“自动曲面化”、“拟合曲面”等功能对椎骨的三维模型进行处理，得到与腰椎椎体的真实曲面十分近似的三维可视化模型并另存为iges格式的文件。

步骤６：打开ANSYS 17.0，导入在步骤5 中所获得的优化后的三维模型的iges文件，首先对模型进行预处理结构离散化并生成有限元网格、设置材料属性、引入载荷与边界条件、接触关系定义（主要选择自由度和集中力载荷），接着对已经建立的有限元模型实施加载并进行求解，计算得出相应的位移和应力，表示在ANSYS结果云图中。

步骤７：根据步骤6中分析得到的结果云图选取受力适中、位移较小的椎骨位置，以此为标准来确定椎弓根螺钉的进钉位置点和进钉角度。

步骤８：根据步骤7中确定的进钉点位置和进钉角度，在Mimics17.0中找到相应的位置并放置椎弓根螺钉，经过Boolean计算后会的确定的最佳进钉通道。

步骤9：在Geomagic studio中选取椎弓根螺钉已确定位置周边的的椎体棘突、椎板后部及部分关节突的解剖形态学，创建与所提取到的解剖形状一致的、厚度为5mm~7mm的反向模板，并与步骤7中的最佳进钉通道举行拟合、优化等一系列的操作，最终获得带有导向通道的个体化螺钉置入导板，结果保存为STL格式文件。

步骤10：将步骤９获得的导板的STL文件导入3D打印机进行实体打印，得到可以手术使用的螺钉植入导板实体。

以上所述是作为发明的实例，并不能因此来缩小本发明的专利范围，使用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换与流程变换，这些变换也将在本发明的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板及制备方法，运用3D打印技术将其打印实物用于手术过程，其中包括：导板一块、左右两个椎弓根螺钉进钉通道；所述的导板下曲面与腰椎椎骨后椎板表面反向一致，上曲面与腰椎椎骨后椎板表面一致；螺钉进钉通道的位置与角度经有限元受力分析后确定，螺钉通道在导板上曲面向外部延伸30mm~50mm；导向钉道能够让椎弓根螺钉准确进入人体腰椎，能够预防螺钉错位和椎弓根的断裂的手术风险，能够让手术操作变得简便容易。

2.如权利1所述的一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板，其特征是上述的手术导板可以覆盖在1到5号腰椎的任意一块椎板上，导板上设置与进钉孔道位置角度一样的螺钉导向通道其数目与进钉个数一致，导板体积小且不需要棘突孔。

3.如权利2所示的一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板，其特征是导板体积小设计于两个椎骨棘突之间，螺钉进钉的导向通道设计在了所述导板的左、右侧。

4.如权利3所示的一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板，其特征是进钉孔道是在对脊椎进行力学计算分析后确定的进钉孔道的位置与角度。

5.如权利4所示的一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板，其特征是所述导板上的进钉孔位于棘突的两侧分列两边，设置在导板的两侧位置并由导板向外延伸30mm~50mm。

6.如权利1所示的一种基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板，其特征在于拥有与患者腰椎表面吻合紧密贴合的底部曲面和与腰椎形状一致的顶部曲面。

7.根据权利要求1~6任意一项所述的基于有限元力学分析的腰椎螺钉植入导板的制作方法步骤为：

步骤1：采集病患的MPI和CT生成的医学图像的标准数据——DICM数据；

步骤２：通过Mimics17.0之中的选项New Project进行新项目的建立，并导入DICOM数据确定CT导入的三维方向后将其转化为可以进行研究模型；

步骤３：选择semgentation中的thresholding进行阈值分割，之后选择Region Growing选项进行区域生长运算，选择segentation中的Edit mask in 3D现象建立三维模型通过Remove选择自己需要的部位之后生成蒙板；

步骤４：选择masks中的calculate 3D选项对选择的蒙板建立三维模型，通过export中的Binary STL将已经建立好的三维模型导出并保存为STL格式的文件；

步骤５：打开Geomagic studio，导入步骤4中所获得腰椎三维模型的STL文件，利用多边形中的“重画网格”、“去除特征”、“流形”、“删除钉状物”、“减少噪声”、“细化”、“打磨”、“光顺”及精确曲面化中的的“自动曲面化”、“拟合曲面”等功能对椎骨的三维模型进行处理，得到与腰椎椎体的真实曲面十分近似的三维可视化模型并另存为iges格式的文件；

步骤６：打开ANSYS 17.0，导入在步骤5 中所获得的优化后的三维模型的iges文件，首先对模型进行预处理结构离散化并生成有限元网格、设置材料属性、引入载荷与边界条件、接触关系定义（主要选择自由度和集中力载荷），接着对已经建立的有限元模型实施加载并进行求解，计算得出相应的位移和应力，表示在ANSYS结果云图中；

步骤７：以步骤6中获得的有限元受力结果云图（在受力云图中受理大、位移大的位置用浅色表示，受力小、位移小的位置用深色表示）之中受力较小且位移较小的腰椎椎骨的位置为标准进行选取并确定进钉点位置与进钉角度；

步骤８：根据步骤7中确定的进钉点位置和进钉角度，在Mimics17.0中找到相应的位置并放置椎弓根螺钉，经过Boolean计算后会的确定的最佳进钉通道；

步骤９：在Geomagic studio中选取椎弓根螺钉已确定位置周边的的椎体棘突、椎板后部及部分关节突的解剖形态学，创建与所提取到的解剖形状一致的、厚度为5mm~7mm的反向模板，并与步骤7中的最佳进钉通道举行拟合、优化等一系列的操作，最终获得带有导向通道的个体化螺钉置入导板，结果保存为STL格式文件；

步骤10：将步骤９获得的导板的STL文件导入3D打印机进行实体打印，得到可以手术使用的螺钉植入导板实体。