個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)彈性模量確定及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及，具體涉及一種個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)彈性模量確定及制備方法。
【背景技術】
[0002]脊柱后路椎弓根螺釘內(nèi)固定術可為脊柱(特別是后柱)提供堅強的可靠的支撐，有利于脊柱的骨性融合，廣泛應用于脊柱創(chuàng)傷、畸形及退行性變等疾病的治療。良好的椎弓根釘棒系統(tǒng)內(nèi)固定植入物應具備以下幾個條件:①良好的生物相容性;②足夠高的強度和穩(wěn)定的固定;③盡量少的并發(fā)癥并能促進椎體間愈合，即要求在骨折治療中不僅要求固定切實可靠，同時減小椎體間的剪切應力和應力遮擋，有利于早期功能鍛煉，促進椎間骨質愈合。應力遮擋在骨質愈合早期提供穩(wěn)定固定，在后期對骨質愈合與骨痂建立產(chǎn)生負面影響一一使骨質愈合、骨痂生長缺乏應力刺激而使骨重建負平衡，導致骨密度降低、骨結構紊亂、骨質疏松等。
[0003]目前采用的脊柱后路椎弓根釘棒內(nèi)固定植入物材質均一，整體上符合人體脊椎骨的彈性模量，但是人體脊柱彈性模量分布不均和個體差異存在，且需術者在術中根據(jù)脊柱生理彎曲弧度折彎連接棒，故存在椎弓根釘棒與人體脊柱生理彎曲不符、與脊椎骨彈性模量不匹配現(xiàn)象，發(fā)生剪切應力或應力遮擋，導致內(nèi)固定物松動、斷裂、脊椎骨局部骨質疏松、椎間融合延遲愈合甚至不融合等并發(fā)癥。因此，研究和開發(fā)符合人體對應節(jié)段脊椎的生物力學性能的脊柱后路釘棒內(nèi)固定系統(tǒng)即基于彈性模量配準的個性化脊柱后路椎弓根釘棒內(nèi)固定系統(tǒng)是研發(fā)新型內(nèi)固定植入物的方向之一，對指導科研人員尋找新型的內(nèi)固定材料有重要的價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題:針對現(xiàn)有脊柱后路椎弓根釘棒內(nèi)固定系統(tǒng)與人體不同節(jié)段脊柱彈性模量不匹配的技術難題，提供一種與個體脊椎生物力學特性匹配良好，椎弓根釘、棒應力分布更加均勻合理，更加符合固定要求，能夠為下一步新型材料的研發(fā)、手術方式及手術器械的優(yōu)化設計并建立相關數(shù)據(jù)庫提供科學依據(jù)的個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)彈性模量確定及制備方法。
[0005]為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為:
本發(fā)明提供一種個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)彈性模量確定方法，步驟包括:
1)對待固定的目標脊柱進行CT掃描，將CT掃描數(shù)據(jù)利用醫(yī)學影像控制系統(tǒng)重建目標脊柱的三維模型；
2)利用醫(yī)學影像控制系統(tǒng)賦予目標脊柱中各個腰椎、椎間盤的材料屬性，所述材料屬性包括腰椎或椎間盤的彈性模量及分布、泊松比；
3)建立目標脊柱的有限元分析模型，通過所述有限元分析模型在指定的不同工況、載荷以及指定的接觸定義、約束條件下分析得出目標脊柱的彈性模量梯度分布規(guī)律； 4)根據(jù)手術要求在機械繪圖軟件中繪制椎弓根釘棒系統(tǒng)，針對目標脊柱和椎弓根釘棒系統(tǒng)之間的裝配關系，結合目標脊柱的彈性模量梯度分布規(guī)律，采取插值法得到椎弓根釘棒系統(tǒng)的彈性模量。
[0006]優(yōu)選地，所述步驟2)中利用醫(yī)學影像控制系統(tǒng)賦予目標脊柱中各個腰椎、椎間盤的材料屬性時，各個腰椎、椎間盤的彈性模量的計算函數(shù)表達式如式(I)所示；
E-Modulus = -388.8+ 5925*Density(I)
式(I)中，E-Modulus為彈性模量，Density為密度，密度Density的計算函數(shù)表達式如式(2)所示;
Density = -13.4 +1017*Hu(2)
式(2)中，Density為密度，Hu為CT掃描的灰度值。
[0007]優(yōu)選地，所述步驟2)中利用醫(yī)學影像控制系統(tǒng)賦予目標脊柱中各個腰椎、椎間盤的材料屬性時，各個腰椎、椎間盤的泊松比的值為0.3。
[0008]本發(fā)明還提供一種個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)的制備方法，步驟包括:
51)采用前述個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)彈性模量確定方法確定椎弓根釘棒系統(tǒng)的彈性模量；
52)采用金屬燒結技術制備彈性模量滿足要求的椎弓根釘棒系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)彈性模量確定方法具有下述優(yōu)點:本發(fā)明對目標脊柱進行CT掃描并重建三維模型，賦予各個腰椎、椎間盤的材料屬性;建立目標脊柱的有限元分析模型，通過所述有限元分析模型在指定的不同工況、載荷以及指定的接觸定義、約束條件下分析得出目標脊柱的彈性模量梯度分布規(guī)律;根據(jù)手術要求在機械繪圖軟件中繪制椎弓根釘棒系統(tǒng)，針對目標脊柱和椎弓根釘棒系統(tǒng)之間的裝配關系，結合目標脊柱的彈性模量梯度分布規(guī)律，采取插值法得到椎弓根釘棒系統(tǒng)的彈性模量，從而使得個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)與個體脊椎生物力學特性匹配良好，椎弓根釘、棒應力分布更加均勻合理，更加符合固定要求，能夠為下一步新型材料的研發(fā)、手術方式及手術器械的優(yōu)化設計并建立相關數(shù)據(jù)庫提供科學依據(jù)。
[0010]本發(fā)明個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)的制備方法具有下述優(yōu)點:本發(fā)明制備方法是本發(fā)明個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)彈性模量確定方法的進一步應用，包括采用金屬燒結技術制備彈性模量滿足要求的椎弓根釘棒系統(tǒng)，使得椎弓根釘棒系統(tǒng)的材料屬性滿足彈性模量要求，制備得到的個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)與個體脊椎生物力學特性匹配良好，椎弓根釘、棒應力分布更加均勻合理，更加符合固定要求，能夠為下一步新型材料的研發(fā)、手術方式及手術器械的優(yōu)化設計并建立相關數(shù)據(jù)庫提供科學依據(jù)。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明實施例方法的基本流程示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明實施例中重建得到的目標脊柱的三維模型。
[0013]圖3為圖2的局部放大結構示意圖。
[0014]圖4為本發(fā)明實施例中部分腰椎的網(wǎng)格模型。
[0015]圖5為本發(fā)明實施例中部分椎間盤的網(wǎng)格模型。
[0016]圖6為本發(fā)明實施例中腰椎和椎間盤組合的網(wǎng)格模型。
【具體實施方式】
[0017]下文以待固定的目標脊柱的四種不同尺寸的椎弓根釘棒系統(tǒng)A、B、C、D的特例，首先以椎弓根釘棒系統(tǒng)A的彈性模量確定為例，對本發(fā)明個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)彈性模量確定方法進行進一步的詳細說明。
[0018]如圖1所示，本實施例個性化脊柱后路椎弓根釘棒系統(tǒng)彈性模量確定方法的步驟包括:
1)對待固定的目標脊柱進行CT掃描，將CT掃描數(shù)據(jù)利用醫(yī)學影像控制系統(tǒng)重建目標脊柱的三維模型，如圖2所示，其局部放大結構如圖3所示;本實施例中，醫(yī)學影像控制系統(tǒng)具體采用Mimics醫(yī)學影像控制系統(tǒng)，可用于基于CT掃描Dicom數(shù)據(jù)重建目標對象的三維模型，以及為目標對象賦予材料屬性，以便后續(xù)進行完整的有限元分析；
2)利用醫(yī)學影像控制系統(tǒng)賦予目標脊柱中各個腰椎、椎間盤的材料屬性，所述材料屬性包括腰椎或椎間盤的彈性模量及分布、泊松比；
3)建立目標脊柱的有限元分析模型，通過所述有限元分析模型在指定的不同工況、載荷以及指定的接觸定義、約束條件下分析得出目標脊柱的彈性模量