本发明专利技术提供了一种椎弓根钉棒改进和增加椎体填充物的有限元仿真分析方法，该方法包括：对正常人脊椎模型进行重建；对模型进行局部修改和优化；骨折椎体几何模型的建立；椎弓根钉的设计；螺母的设计；椎弓根棒的设计；椎体填充物的建立；椎弓根钉棒的装配；材料赋值；韧带建立；网格划分；接触对、边界条件及载荷的施加；正常椎模型的有效性验证；各固定方式的仿真分析。本发明专利技术基于人体椎体CT扫描图像，采用有限元软件预测椎体爆裂性骨折下椎弓根钉棒、骨折椎体的应力以及骨折椎体的变形，为临床医学在治疗该类病人采用何种椎体填充物、何种固定方式以及何种钉棒形状提供一种有限元分析方法。方法。方法。
【技术实现步骤摘要】
一种椎弓根钉棒改进和增加椎体填充物的有限元仿真分析方法
[0001]本专利技术涉及医学、机械设计、仿真分析领域，具体涉及应用于脊椎爆裂性骨折治疗中后路椎弓根钉棒改良和增加椎体填充物的仿真方法研究。
技术介绍
[0002]椎体爆裂性骨折是脊椎骨折的常见类型，治疗方法最常采用后路椎弓根固定法，对骨折椎体进行固定和减压，目前对脊椎骨折常用的研究方法是有限元分析法，椎体爆裂性骨折是椎体的常见损伤类型，多由车祸和坠伤所致，临床表现为椎体压缩、前中柱破坏、后凸畸形及脊髓神经受压等症状，若未及时治疗可导致脊柱负重功能丧失，严重者可导致瘫痪。因此需要手术进行固定、复位,解除椎管内压迫,促进神经恢复和防止神经再损伤。
[0003]后路手术由于手术入路简单、创伤和并发症少、可直接探查修复骨折导致的硬脊膜撕裂伤及神经断裂等优点以及经后路复位椎管内骨折块等手术技术的发展，在临床上治疗爆裂性骨折得到广泛应用。其中经伤椎短节段、跨伤椎短节段、经伤椎长节段和跨伤椎长节段是后入路手术的常用固定方式。然而，尽管它是当今最流行的技术，但它也不是完全没有并发症(包括器械失效、邻近节段疾病和新的邻近椎骨骨折)。
[0004]有限元分析最早是在70多年前发展起来的，它在生物力学上的模拟最早可追溯到20世纪70年代末。之后在评估脊椎生物力学方面得到广泛应用。在多向载荷条件下，使用有限元法对后路器械和脊柱进行分析，用于检查器械和椎体的运动学，以及后路脊柱器械中的应力，不仅有助于确定器械可能发生故障的位置，还有助于确定脊柱的方向稳定性。
[0005]基于有限元法的明显优势，本研究采用有限元分析法对各固定方式进行仿真分析。但是，传统的椎弓根钉棒固定方式钉棒接触面小易导致应力集中，没有椎体填充物进行支撑增大了骨折椎体所受应力，大大减少各固定方式的稳定性。本专利技术改进了椎弓根钉棒的接触方式，为骨折椎体进行内部填充，减少了椎体和椎弓根钉棒的应力，提高了椎弓根钉棒的固定方式的稳定性。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的是针对后路椎弓根钉棒接触部位应力集中问题，而提供了一种减少各固定方式椎弓根钉棒及骨折椎体的应力的钉棒模型及填充物材料的有限元方法。本专利技术的目的是这样实现的：包括如下步骤：
[0007]步骤1：对正常人脊椎模型进行重建；
[0008]步骤2：对模型进行局部修改和优化；
[0009]步骤3：骨折椎体几何模型的建立；
[0010]步骤4：椎弓根钉的设计；
[0011]步骤5：螺母的设计；
[0012]步骤6：椎弓根棒的设计；
[0013]步骤7：椎体填充物的建立；
[0014]步骤8：椎弓根钉棒的装配；
[0015]步骤9：材料赋值；
[0016]步骤10：韧带建立；
[0017]步骤11：网格划分；
[0018]步骤12：接触对、边界条件及载荷的施加；
[0019]步骤13：正常椎模型的有效性验证。
[0020]步骤14：各固定方式的仿真分析。
[0021]步骤4具体为：将钉与棒的接触面设为弧形面，一方面增加钉棒接触面，另一方面减小前屈运动的应力，如图1所示。
[0022]步骤5具体为：使螺母与棒接触面增加弧形凹槽从而扩大接触面如图2所示。步骤6具体为：将原有的5.5mm直径椎弓根棒改为长轴6mm短轴5mm的椭圆棒如图3所示，从而增加前屈运动时钉棒接触面(前屈运动活动度最大，椎弓根钉棒应力最大)。
[0023]步骤7和8具体为：建立椎体填充物模型，比较三种不同材料的椎体填充物减少骨折椎体和椎弓根钉棒应力的效果，如图4所示。
[0024]本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种通过修改脊椎爆裂性骨折后路椎弓根固定模型，运用有限元仿真比较模型各部分应力，得出较优椎弓根钉棒模型和椎体填充物的方法。通过三维建模软件SolidWorks修改椎弓根钉棒模型，并运用有限元软件建立后路椎弓根钉棒固定的骨折椎体有限元模型，通过不断修改椎弓根钉棒的三维模型，包括接触面、钉棒形状等(步骤4、步骤5、步骤6)，测试修改后的椎弓根钉棒所受应力，可比较出所受应力较小的椎弓根钉棒模型。通过三维建模软件SolidWorks建立椎体填充物，并运用有限元软件建立含椎体填充物的后路椎弓根钉棒固定的骨折椎体有限元模型，通过不断修改椎体填充物材料(步骤7、步骤8)，测试修改后的椎弓根钉棒和骨折椎体所受应力，比较出较好的椎体填充物材料。
附图说明
[0025]图1是椎弓根钉模型示意图
[0026]图2是螺母示意图
[0027]图3椎弓根棒示意图
[0028]图4椎体填充物示意图
[0029]图5总体流程图
具体实施方式
[0030]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清晰明了，现结合附图和实例，对本专利技术进行进一步详细说明。本专利技术是一种应用于脊椎爆裂性骨折的基于后路椎弓根固定改进的方法，包括以下步骤：
[0031]步骤1：对正常人脊椎模型进行重建：
[0032]在Mimics中打开椎体CT的DICOM格式文件，新建一个图层,灰度值选择“Bone(CT)”，运用“Edit Masks”中的“Erase”功能擦除所需节段与其他部位接触的部分，并运用
“
Region Growing”功能独立出该节椎体。“Edit Masks”中的“Draw”功能可将椎体每一层的边界补充完整，接着用“Cavity Fill”填充各层的孔洞。最后用“Calculate 3D”功能分别将各节椎体图层生成三维模型并导出STL格式文件。
[0033]步骤2：对模型进行局部修改和优化：
[0034]在Geomagic中分别导入各节椎体stl格式文件，用“显示”里的“视图剪裁”判断出相邻椎体是否有干涉，运用“雕刻刀”和“偏移”命令给关节软骨留出空间。复制各节椎体，点击“选择贯通”将椎体的后部结构去除，并用“填充单个孔”将孔用平面填充，然后用“偏移”将表面向内偏移1mm构建松质骨，也使得皮质骨厚度为1mm，且皮质骨与松质骨紧密贴合。运用“减少噪音”、“松弛”、“删除钉状物”、“填充孔”、“去除特征”和“细化”等命令修饰各节椎体及松质骨表面形貌。然后用“网格医生”检查。最后采用“精确曲面”、“探测轮廓线”、“构造曲面片”、“修理曲面片”、“构造格栅”和“拟合曲面”等命令导出各节椎体和松质骨的stp格式文件。将各节椎体和松质骨导入SolidWorks中，并绘制关节软骨、软骨终板、纤维环、髓核和后部结构，其中软骨终板厚度为1mm，与椎体上下表面紧密贴合。椎间盘由纤维环和髓核组成，髓核占椎间盘体积的30％～40％。
[0035]步骤3：骨折椎体几何模型的建立：
[0036]为模拟椎体的爆裂性骨折，通常需要在正常椎体上以楔形的方式去除椎体下部部分约三分之一的皮质骨和松质骨，来建立不稳定的骨折模型。因此需在SolidWorks内绘制两条直线并运用“分割”命令截取楔形块，形成不稳定的骨折本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种椎弓根钉棒改进和增加椎体填充物的有限元仿真分析方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：对正常人脊椎模型进行重建；步骤2：对模型进行局部修改和优化；步骤3：骨折椎体几何模型的建立；步骤4：椎弓根钉的设计；步骤5：螺母的设计；步骤6：椎弓根棒的设计；步骤7：椎体填充物的建立；步骤8：椎弓根钉棒的装配；步骤9：材料赋值；步骤10：韧带建立；步骤11：网格划分；步骤12：接触对、边界条件及载荷的施加；步骤13：正常椎模型的有效性验证；步骤14：各固定方式的仿真分析。2.根据权利要求1所述的一种椎弓根钉棒改进和增加椎体填充物的有限元仿真分析方法，其特征在于：步骤1的具体过程为：在Mimics中打开椎体CT的DICOM格式文件，新建一个图层,灰度值选择“Bone(CT)”，运用“Edit Masks”中的“Erase”功能擦除所需节段与其他部位接触的部分，并运用“Region Growing”功能独立出该节椎体；“Edit Masks”中的“Draw”功能可将椎体每一层的边界补充完整，接着用“Cavity Fill”填充各层的孔洞，最后用“Calculate 3D”功能分别将各节椎体图层生成三维模型并导出STL格式文件。3.根据权利要求1所述的一种椎弓根钉棒改进和增加椎体填充物的有限元仿真分析方法，其特征在于：步骤3的具体过程为：在Geomagic中分别导入各节椎体stl格式文件，用“显示”里的“视图剪裁”判断出相邻椎体是否有干涉，运用“雕刻刀”和“偏移”命令给关节软骨留出空间；复制各节椎体，点击“选择贯通”将椎体的后部结构去除，并用“填充单个孔”将孔用平面填充，然后用“偏移”将表面向内偏移1mm构建松质骨，也使得皮质骨厚度为1mm，且皮质骨与松质骨紧密贴合；运用“减少噪音”、“松弛”、“删除钉状物”、“填充孔”、“去除特征”和“细化”等命令修饰各节椎体及松质骨表面形貌；然后用“网格医生”检查，最后采用“精确曲面”、“探测轮廓线”、“构造曲面片”、“修理曲面片”、“构造格栅”和“拟合曲面”等命令导出各节椎体和松质骨的stp格式文件；将各节椎...
【专利技术属性】
技术研发人员：殷志俊，许江平，谢炎秋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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