一种基于拓扑优化及骨重建仿真的个性化椎间融合器设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于拓扑优化及骨重建仿真的椎间融合器个性化设计方法。所述方法将椎体进行CT/MRI扫描，然后将椎体CT/MRI连续断层图像进行分割及建立三维模型；通过网格划分及平滑、材料赋值、边界条件设定及力学加载等步骤完成有限元模型的建立；采用变密度法来对椎间融合器进行拓扑优化设计；最后通过基于应变能密度的适应性骨重建理论对椎体及融合器填充骨区域进行骨重建数值仿真模拟，来评价设计是否合理。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种基于拓扑优化及骨重建仿真的椎间融合器个性化设计方法。所述方法将椎体进行CT/MRI扫描，然后将椎体CT/MRI连续断层图像进行分割及建立三维模型；通过网格划分及平滑、材料赋值、边界条件设定及力学加载等步骤完成有限元模型的建立；采用变密度法来对椎间融合器进行拓扑优化设计；最后通过基于应变能密度的适应性骨重建理论对椎体及融合器填充骨区域进行骨重建数值仿真模拟，来评价设计是否合理。【专利说明】一种基于拓扑优化及骨重建仿真的个性化椎间融合器设计 方法
本专利技术涉及一种个性化椎间融合器设计方法，更具体地说是涉及一种基于拓扑优 化及骨重建仿真评价对椎间融合器进行个性化设计的方法。
技术介绍
在临床椎间融合术中，椎间融合器的植入方式、大小、空间形状与神经损伤、植入 稳定性、椎间植骨量密切相关。但是，因为患者生理参数和体内环境个性化特征的差异较 大，标准化、批量化、序列化生产的椎间融合器与人体的相互作用难以最优化，导致一些椎 间融合器进入体内后，发生过度磨损、疲劳失效等。因此，椎间融合器的设计必须是个性化 的。 目前，市面上的椎间融合器大多为螺纹状融合器与箱形融合器，其外部均为实体， 中间为上下贯通的孔，用以填充移植骨。在椎间融合术中，椎体间融合器一方面要求要有足 够的力学强度来维持椎间隙高度，也就是实体部分体积尽可能大，以提供足够的力学支撑； 另一方面要求能尽可能多地植入骨便于融合，也就是实体部分体积尽可能小，用于植入骨 的孔足够大。为了解决上述矛盾，有必要引入拓扑优化方法对融合器进行优化设计。 对于椎间融合器的有限元仿真评价研宄已有很多，现有研宄基本均关注于融合器 植入后的即时受力状态。然而，即刻状态下力学性能较好的融合器或放置方式在术后长期 的恢复过程中所产生的效果不一定较好。实际上融合器植入后会改变原有的生物力学环 境，从而诱发骨重建过程，引起植入物周围骨质的变化。很多情况下，力学信号在适当的情 况可以刺激骨的形成，骨组织可以展现出愈合能力来恢复功能。因此，为了更好的评价融合 器的长期效果，将骨重建理论加入椎间融合器有限元仿真评价中是很有必要的。
技术实现思路
为了满足目前大多数的椎间融合器的个性化设计需求，本专利技术公开了一种椎间融 合器设计方法，所述方法是通过利用CT/MRI图像三维重建技术，在数字化虚拟环境下还原 脊椎的解剖学结构特征，在此基础上运用拓扑优化方法及骨重建仿真进行椎间融合器的个 性化设计及评价。 本专利技术根据实际需要，在所开发的软件AdvancedCageDesigner中导入CT/MRI等 图像数据，自动地进行脊柱椎体的分割，建立脊柱的几何模型，自动地进行模型的有限元网 格划分，然后采用拓扑优化方法进行椎间融合器的个性化设计，最后采用骨重建仿真方法 对所设计的融合器进行分析评价及改进。 本专利技术公开了一种个性化椎间融合器设计方法，具体包括以下步骤： 1)图像采集及预处理 将椎骨进行CT/MRI扫描，然后将CT/MRI扫描获取的椎骨的原始数据导入软件中 并按照图像的编号对图像进行自动排序和判断。然后对导入的CT图像进行中值滤波、高斯 滤波及二值化处理。 2)椎体图像分割及三维模型的建立 首先在软件水平面视图区手动挑选一个初始片层来启动分割过程，手工绘制初 始片层的椎体大致轮廓，然后采用水平集方法经过迭代获取初始片层的椎体精确轮廓。此 后的分割过程将会以参考图层为起点从上、下两个方向对所有片层进行分割操作。由于椎 体CT图像相邻片层目标的变化幅度较小，故可得用已处理片层的分割结果所得轮廓作为 相邻片层的初始轮廓，然后运用水平集方法获取所有椎体的精确轮廓。最后，可采用手工方 法对所获取的轮廓进行修正。对于分割的结果，采用体绘制方法进行绘制，并在窗口中进行 显不O 3)有限元模型的建立 采用基于体素的网格划分方法对椎体进行网格划分。待优化设计的融合器模型可 以是市面上已有的融合器模型，也可以是系统自动生成的初始融合器模型。系统自动生成 的初始融合器模型根据椎间隙内纤维环包围的区域形成。对于融合器的网格划分，系统自 动生成的初始融合器模型采用基于体素的网格划分方法进行网格划分，市面上已有的融合 器模型直接导入inp格式的融合器网格模型。 完成有限元网格划分后，设置相应的材料属性及边界条件，施加相应的力学加载， 完成有限元模型的建立。 4)拓扑优化设计 椎间融合器拓扑优化设计的目标是在给定设计体积分数约束下，使应变能最小 (即刚度最大）。采用变密度法来进行拓扑优化设计。变密度法的基本思想是人为引进了 一种假想的密度可变的材料，其相对密度和弹性模量之间的关系也是假定的，每个单元的 相对密度为设计变量，将结构拓扑优化问题转化为材料最优分布设计问题。因此，在设计体 积分数为~的约束条件下，椎间融合器的拓扑优化设计可如下表示： 目标函数： 【权利要求】1. ，其特征在于包括w 下步骤： 1) 图像采集及预处理；将椎骨进行CT/MRI扫描，然后将CT/MRI扫描获取的椎骨原始 数据进行图像预处理，从而得到椎体图像； 2) 椎体图像分割及=维模型的建立；通过自动或手动分割实现椎体图像的分割，采用 体绘制方法完成椎体=维模型的重建及显示； 3) 有限元模型的建立；分别对椎体=维模型及椎间融合器模型进行网格划分，设置椎 体=维模型各部分的材料属性、边界条件及力学加载，完成植有椎间融合器模型的椎体有 限元模型的建立； 4) 拓扑优化设计；在给定设计体积分数约束下，使模型应变能最小，完成拓扑优化设 计； 5) 骨重建仿真评价；采用基于应变能密度的适应性骨重建理论对椎体及融合器填充 骨区域进行骨重建数值仿真模拟，并对设计进行评价。2. 根据权利要求1所述的基于拓扑优化及骨重建仿真的个性化椎间融合器设计方法， 其特征在于，第1)步所述的图像预处理包括中值滤波、高斯滤波及二值化处理。3. 根据权利要求1所述的基于拓扑优化及骨重建仿真的个性化椎间融合器设计方法， 其特征在于，第3)步所述椎体有限元模型的建立中，网格划分的具体步骤为；采用基于体 素的网格划分方法对椎体进行网格划分，若选择系统自动生成的初始融合器模型，则采用 基于体素的网格划分方法进行网格划分；若选择其它已有的融合器模型，则将其直接导入 inp格式的网格模型。4. 根据权利要求1所述的基于拓扑优化及骨重建仿真的个性化椎间融合器设计方法， 其特征在于，第4)步所述拓扑优化设计具体方式为；采用变密度法建立拓扑优化模型，采 用优化准则法求解优化模型。5. 根据权利要求1所述的基于拓扑优化及骨重建仿真的个性化椎间融合器设计方法， 其特征在于，第5)步所述骨重建数值仿真模拟采用分段函数形式的骨重建控制方程来预 测分析骨重建结果。【文档编号】G06F17/50GK104462723SQ201410827006【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日 【专利技术者】蒲放, 张琳琳, 张明峥, 姚杰, 王豫, 樊瑜波 申请人:北京航空航天大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于拓扑优化及骨重建仿真的个性化椎间融合器设计方法，其特征在于包括以下步骤：1)图像采集及预处理：将椎骨进行CT/MRI扫描，然后将CT/MRI扫描获取的椎骨原始数据进行图像预处理，从而得到椎体图像；2)椎体图像分割及三维模型的建立：通过自动或手动分割实现椎体图像的分割，采用体绘制方法完成椎体三维模型的重建及显示；3)有限元模型的建立：分别对椎体三维模型及椎间融合器模型进行网格划分，设置椎体三维模型各部分的材料属性、边界条件及力学加载，完成植有椎间融合器模型的椎体有限元模型的建立；4)拓扑优化设计：在给定设计体积分数约束下，使模型应变能最小，完成拓扑优化设计；5)骨重建仿真评价：采用基于应变能密度的适应性骨重建理论对椎体及融合器填充骨区域进行骨重建数值仿真模拟，并对设计进行评价。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲放，张琳琳，张明峥，姚杰，王豫，樊瑜波，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11