一种胸腰椎爆裂性骨折仿真模型建立方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种胸腰椎爆裂性骨折仿真模型建立方法及装置。所述方法为：健康成人胸腰椎CT扫描，建立实体模型，导入Hypermesh，在第一腰椎上分割骨折块，对骨折块及其他骨组织进行网格划分，进一步划分椎间盘为纤维环和髓核，添加韧带，再对骨折块和周边骨组织设定边界条件，组装获得胸腰椎爆裂性骨折三维有限元模型，最后导入Abaqus，设定材料属性、载荷、边界条件等。所述装置包括相关单元，用于建立所述胸腰椎爆裂性骨折仿真模型。本发明专利技术建立的模型包括了椎骨、椎间盘、韧带、小关节等结构，符合胸腰椎的解剖结构，骨折块模型几何特性设定合理，与周围椎骨紧密组合，因此仿真性更高。

A method and device for establishing the simulation model of thoracolumbar burst fracture

【技术实现步骤摘要】
一种胸腰椎爆裂性骨折仿真模型建立方法及装置
本专利技术涉及计算机辅助技术及脊柱外科治疗领域，更具体地说，涉及一种胸腰椎爆裂性骨折仿真模型建立方法及装置。
技术介绍
胸腰椎爆裂性骨折是脊柱外科常见的损伤性疾病，约占所有脊柱骨折的50％左右，常见于车祸及高处坠落等高能量损伤，患者常合并后凸畸形及骨折块突入椎管，压迫神经根和马尾，造成脊髓神经功能损伤。患者可出现不同程度的感觉障碍和运动功能丧失，更严重的会导致瘫痪，极大的影响了患者的身体和心理健康。解除骨折占位，恢复椎管容积，减轻脊髓压迫获得了外科医生的广泛共识。随着医疗技术的发展和医疗器械的改善，经椎弓根伤椎置钉治疗胸腰椎爆裂性骨折得到了广泛关注和应用，并取得了良好的临床效果。与保守治疗和直接复位相比，经椎弓根伤椎置钉复位骨折，避免了骨折块复位不完全、出血量大损伤严重等问题，具有独特的优势。目前对胸腰椎爆裂性骨折复位的生物力学研究主要通过动物脊柱、人的尸体脊柱等的体外实验实现。选取胸腰椎节段，模拟暴力打击脊柱，获得胸腰椎爆裂性骨折模型，从而进行力学分析和手术入路研究，其优点是：能直接、精确测量脊柱各节段的运动，同时可直接观察到脊柱的生理病理变化和组织形态学改变。缺点是：实验方法较为昂贵，标本难以获取、各标本之间存在一定差异性，可重复性差，同时，对于标本受力的测取，主要集中在皮质表面，对于内部的应力和应变，则明显受限。有限元法的优势则在于可以模拟各种复杂工况，通过参数设计，可无限次重复实验。因此，可利用有限元法与体外实验相结合，相互支持补充，以期可以更好的研究胸腰椎爆裂性骨折及相关手术治疗方法。2016年第三军医大学硕士学位论文“横连接在胸腰椎骨折椎弓根螺钉固定中作用的有限元分析及临床研究”，利用64排CT对志愿者T9-L3节段进行扫描，得到的图像以DICOM格式保存。然后用Mimics软件读取已保存的DICOM图像。根据骨与软组织具有不同灰度值的原理，进一步阈值化及擦除操作处理目标图像，然后剔除骨质旁软组织图像，利用mask的编辑功能填充椎间盘，得到目标节段的几何模型。最后利用Rapidform软件对得到的几何模型进行光滑处理。再利用Truss单元模拟前、后纵韧带、黄韧带、关节囊，棘间及棘上韧带等，将上述模型导入Abaqus6.9.1软件中进行组合得到正常胸腰椎(T9-L3)的有限元模型。然后利用布尔运算法模拟T12椎体前方压缩1/2高度，椎间盘、椎体后方骨性结构及后方韧带复合体均完整，最终建立了T12椎体爆裂骨折的有限元模型。期刊《中国矫形外科杂志》2015年第23卷第10期，刊出的论文“胸腰椎爆裂性骨折短节段伤椎固定三维有限元模型构建及生物力学比较研究”，建立了胸腰椎爆裂性骨折后路不同固定方式的尸体标本和三维有限元模型，具体取1具尸体为正常胸腰椎模型，用螺旋CT以层厚2mm(0.6mm居多)连续扫描获得横断面图像，Dicom格式导入Mimics软件，得到标本的三维信息图。手动完成T11-L3椎体模型后，在Mimics的FEA模块中对模型进行网格划分，得到较为满意的三维图像后导入Ansys12.0软件中。然后对各单元进行赋值，包括弹性模量、泊松比等材料常数及特征值。整个模型共有结点675个，不同类型单元860个。期刊《中国生物医学工程学报》2017年第36卷第6期，刊出的论文“后路固定术治疗胸腰椎爆裂骨折的生物力学研究”，建立了T10-L2节段正常脊柱模型、爆裂性骨折模型。具体地，将CT扫描获得的水平位图像以Dicom格式导入医学图像重建软件Mimics10.01中，以得到T10-L2节段的三维几何模型；再通过GeomagicStudio软件处理，使其成为由NURBS曲面表达的实体结构，用于后续有限元的仿真模拟；然后经过SolidWorks2012的装配以及在HyperMesh中进行六面体网格划分，最后导入Abaqus6.13进行分析。每个椎体分为皮质骨和松质骨两部分。每个椎间盘模型包含3个部分：髓核、纤维环基质和纤维环纤维层，纤维环基质从内到外分为7层，分割纤维环的纤维层也分为7层，嵌入在纤维环基质中，胶原纤维这些层的角度设置为30°。此模型包含了7种韧带，这些韧带被设置为线性拉伸弹簧元件。胸椎T12节段采用楔形截骨法切除部分椎骨，保留后部结构以建立不稳定的胸腰椎爆裂骨折的有限元模型。2018年南京中医药大学博士学位论文“3D打印外固定支具治疗单纯性胸腰椎骨折的有限元分析及临床应用研究”，建立了胸腰椎骨折的三维有限元模型(T12-L4)，具体地，选取一名L1骨折患者，应用螺旋CT对胸腰椎进行薄层连续扫描，扫描范围从胸椎T11至骶骨S1，共获得断层图像序列810张，以Dicom格式存储于计算机中。然后导入Mimics医学图像处理软件中，利用软件三维重建功能建立T12-L4椎体骨各个椎体模型。再将上述模型导入到3-matic软件，以椎体骨的上下缘为边界，提取椎骨的上下曲面，用造型工具建立各节段椎间盘和上下终板模型。接下来，利用Geomagic软件建立实体模型。将在Geomagic软件组装完成的模型，导入Hypermesh软件中，模型的各部分分别建立为一个元件。对每个部分经过的必要的quickedit处理后，划分网格。网格选用10节点四面体SOM187单元网格。对划分完成的体网格，进行必要的质量检查，以供后续有限元分析使用。T12-L4节段有限元模型共生成870869个结点，506589个单元。再建立韧带模型。最后在Hypermesh软件中对模型的各部分进行材料属性赋值，导入到Ansys软件中，模拟人体站立状态，对模型施加边界条件和载荷。然而，上述文献缺乏精细模拟椎管内占位性骨折块的步骤，仅通过修改椎体高度等方法简单模拟骨折，难以真实反映骨折块与周边骨组织以及软组织的关系，无法进一步研究骨折块复位等手术操作。因此，本专利能更加准确地模拟胸腰椎爆裂性骨折，为骨折机制研究及后期手术研究提供更加精细的仿真模型。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中的不足，为更加有效地研究胸腰椎爆裂性骨折及相关复位方法，通过分析设计胸腰椎爆裂性骨折的几何形状和有限元网格划分，模拟骨折生物力学特性，提供一种更加精确的用于研究胸腰椎爆裂性骨折及相关手术治疗的方法和装置。第一方面，本专利技术提供了一种胸腰椎爆裂性骨折仿真模型的建立方法，包括：步骤S1：筛选健康成人的胸腰段进行CT扫描，获取DICOM数据；步骤S2：重建胸腰椎三维实体模型；步骤S3：依据正常解剖结构，按照点、线、面的原则，画出胸腰椎外形特征的曲线，通过封装连接得到NURBS曲面模型；步骤S4：应用有限元建模软件，在第一腰椎上分割骨折块，对骨折块及其他骨组织进行网格划分，进一步划分椎间盘为纤维环和髓核，添加前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、囊韧带、黄韧带以及横突间韧带，建立骨折块有限元模型和胸腰椎有限元模型，再对骨折块和周边骨组织设定边界条件，组装获得所述胸腰椎爆裂性骨折仿真模型；其中，所述在第一腰椎上分割骨折块的步骤中，骨折块几何边界的确认如下：骨折块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种胸腰椎爆裂性骨折仿真模型的建立方法，其特征在于，包括：/n步骤S1：筛选健康成人的胸腰段进行CT扫描，获取DICOM数据；/n步骤S2：重建胸腰椎三维实体模型；/n步骤S3：依据正常解剖结构，按照点、线、面的原则，画出胸腰椎实外形特征的曲线，通过封装连接得到NURBS曲面模型；/n步骤S4：应用有限元建模软件，在第一腰椎上分割骨折块，对骨折块及其他骨组织进行网格划分，进一步划分椎间盘为纤维环和髓核，添加前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、囊韧带、黄韧带以及横突间韧带，建立骨折块有限元模型和胸腰椎有限元模型，再对骨折块和周边骨组织设定边界条件，组装获得所述胸腰椎爆裂性骨折仿真模型；其中，所述在第一腰椎上分割骨折块的步骤中，骨折块几何边界的确认如下：骨折块在矢状面的长度拟定为椎体中柱的范围，即椎体前后径的1/3，骨折块在冠状位的长度设定为椎弓根基底部内侧缘，骨折块的高度设定自上终板至椎基静脉孔水平；/n步骤S5：设定材料属性、载荷、边界条件。/n

【技术特征摘要】
1.一种胸腰椎爆裂性骨折仿真模型的建立方法，其特征在于，包括：
步骤S1：筛选健康成人的胸腰段进行CT扫描，获取DICOM数据；
步骤S2：重建胸腰椎三维实体模型；
步骤S3：依据正常解剖结构，按照点、线、面的原则，画出胸腰椎实外形特征的曲线，通过封装连接得到NURBS曲面模型；
步骤S4：应用有限元建模软件，在第一腰椎上分割骨折块，对骨折块及其他骨组织进行网格划分，进一步划分椎间盘为纤维环和髓核，添加前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、囊韧带、黄韧带以及横突间韧带，建立骨折块有限元模型和胸腰椎有限元模型，再对骨折块和周边骨组织设定边界条件，组装获得所述胸腰椎爆裂性骨折仿真模型；其中，所述在第一腰椎上分割骨折块的步骤中，骨折块几何边界的确认如下：骨折块在矢状面的长度拟定为椎体中柱的范围，即椎体前后径的1/3，骨折块在冠状位的长度设定为椎弓根基底部内侧缘，骨折块的高度设定自上终板至椎基静脉孔水平；
步骤S5：设定材料属性、载荷、边界条件。


2.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，所述材料属性为：皮质骨和松质骨为各向同性材料属性，骨组织材料属性如下：



髓核为不可压缩的流体材料属性，椎间盘材料属性如下：



韧带为非线性材料属性。


3.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，所述胸腰椎有限元模型包括皮质、松质，在椎骨皮质骨划分过程中，选择为1mm厚的六面体网格，松质骨为四面体网格；定义小关节为面面接触；终板厚度为0.5mm，髓核区域和纤维环区域分别为椎间盘横截面积的40％和60％。


4.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，所述骨折块有限元模型包括外侧的皮质骨和内侧的松质骨。


5.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，在确定所述胸腰椎外形特征的曲线时，只画出几条重要的关键线；对于椎体的上下面，使其由平滑曲面构成。


6.根据权利要求1所述的建立方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱睿，程黎明，裴小龙，程泓哲，解元，
申请(专利权)人：上海市同济医院，
类型：发明
国别省市：上海;31