一种个性化椎间融合器设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种个性化椎间融合器设计方法，所述方法将椎体进行CT扫描，然后将CT连续断层图像数据进行三维模型重建，并对椎体模型进行测量，包括测量椎体矢状径、椎体横状径、椎间隙高度等。在测量参数的基础上进行椎间融合器的个性化设计及植入，通过网格划分及平滑、材料赋值及边界条件设定等完成有限元模型的建立，最后进行有限元模型的求解与分析，为椎间融合器的优化改进提供依据，并最终实现既考虑几何匹配又考虑功能匹配的个性化椎间融合器的设计。
【专利说明】一种个性化椎间融合器设计方法
【技术领域】
[0001]本发明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CT图像三维重建及测量技术、有限元分析技术对椎间融合器进行个性化设计的方法。
【背景技术】
[0002]在临床椎体间融合术中，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。椎间融合器在体内面临复杂的应力环境，这些应力既会影响椎间融合器自身结构的可靠性、也可影响椎间融合器功能的正常发挥和周围宿主组织的改重建，是椎间融合器成败的关键因素之一。因此，椎间融合器的性能不仅要考虑其材料选型、制备和表面改性，还应充分考虑其成为医疗器械的构型设计，以及它与周围宿主组织之间的相互作用。目前，大多数的椎间融合器的设计基于几何匹配需求，没有实现基于功能匹配设计。
【发明内容】
[0003]为了克服目前大多数的椎间融合器的设计基于几何匹配需求，没有实现基于功能匹配设计的问题，本发明公开了一种个性化椎间融合器设计方法，所述方法是通过利用CT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并进行三维测量，在此基础上进行椎间融合器的个性化设计及植入，运用个性化有限元分析技术对所设计的椎间融合器进行分析及改进。
[0004]本发明根据实际需要，在所开发的软件CageDesigner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，自动地进行模型的网格划分，并能模拟脊柱椎间融合手术过程及进行有限元分析，为椎间融合器的个性化设计提供参考。
[0005]本发明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:
[0006]I)图像采集及预处理:将椎骨进行螺旋CT扫描，然后将CT扫描仪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。
[0007]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，并在窗口中进行显示。
[0008]3)椎体模型测量:椎体矢状径和椎体横状径在椎体模型的上终板平面上进行获取。采用软件的剖切功能，剖切三维椎体模型，得到椎体模型上终板平面。在终板平面上找到平分椎体模型成左右两半的前-后轴，测量前-后轴与椎体模型边缘两交点间的距离，该距离即为椎体矢状径。测量与前-后轴相垂直的直线椎体模型边缘两交点间的距离，其中距离最大的即为椎体横状径。椎间隙的高度在椎体模型正中矢状面进行测量。在正中矢状面上手动获取椎体终板的前后边缘点以及终板中心点。测量上下椎体终板前缘点的距离即为椎间隙前缘高度，两椎体终板后缘点的距离即为椎间隙后缘高度，两终板中心点的距离即为椎间隙中心高度。
[0009]4)椎间融合器的设计及植入:在已有的椎间融合器模型库中，根据椎体的上缘解剖形态(曲线，平台)，选择融合器的几何形状(弧度)，根据椎间隙高度确定椎间融合器的高度，根据椎体横径，椎体矢径确定椎间融合器的长度与宽度。设计的原则是使椎间融合器贴合解剖结构，达到更大的接触面积，满足力学强度，促进融合。对于双枚椎间融合器，将其对称植入于椎体后半部。对于单枚椎间融合器，将其斜植入椎体中心。
[0010]5)有限元网格划分及平滑:采用基于体素的网格划分方法对椎体进行网格划分。首先将各部分的像素用不同的编码表示；然后将上下层相邻的8个像素作为节点连接成I个体素，去除冗余的体素，将剩余的体素作为一个八节点的六面体单元。在模型表面和不同材料界面处的单元的八个节点的像素编码是不一样的，此时采用镜像剖分的方法把每个边界六面体单元分解为5个四面体单元，然后通过移动这些四面体单元的节点来进行界面的平滑；为了减少计算量，对于材料一致的一些单元将根据需要进行合并。采用映射的方法将已有的椎间融合器模型库中的标准椎间融合器模型的有限元网格映射到所设计的个性化椎间融合器上，实现椎间融合器的网格划分。
[0011]6)材料的赋值及边界条件设置:利用单元节点灰度计算出单元的弹性模量，设置模型皮质骨厚度和小关节摩擦系数，假设松质骨材料为各向同性，椎间融合器与椎体之间采用面-面接触。下椎体的下终板所有自由度全部固定，选取上椎体的上终板中心点R，通过在R上施加向下压力模拟椎体承重，施加转矩模拟前屈、后伸、侧弯、扭转。通过上述步骤，完成植有椎间融合器的椎体有限元模型的建立。
[0012]7)有限元模型的求解及分析:采用体素有限元模型求解算法对椎体有限元模型进行求解，得到最大主应力，等效应力，下沉和位移，用来评价椎体及椎间融合器的应力分布情况及位移情况，从而确定设计是否合理。对于不合理的设计，返回到步骤4对设计进行修改，并最终实现既考虑几何匹配又考虑功能匹配的个性化椎间融合器的设计。最终设计的个性化椎间融合器以STL格式输出。
[0013]本发明个性化椎间融合器设计方法优点包括:
[0014]1、在设计中全面考虑几何匹配及功能匹配，将个性化有限元分析技术引入到椎间融合器的设计中。
[0015]2、能够可视化显示椎骨形状全面测量反应椎体结构特征的参数如椎体横状径，椎体矢状径，椎间隙高度等；
[0016]3、设计方法简便，操作时间短，易于临床推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是根据本发明的一个实施例的个性化椎间融合器设计具体实施流程图；
[0018]图2是根据本发明的一个实施例的在椎体上终板平面进行参数测量示意图；
[0019]图3是根据本发明的一个实施例的在椎体正中矢状平面进行参数测量示意图；
[0020]图4是本发明的双枚椎间融合器植入位置示意图；
[0021]图5是本发明的单枚椎间融合器植入位置示意图；
[0022]图6是本发明的一个实施例的椎体网格划分结果图；
[0023]图7是本发明的一个实施例所设计的个性化椎间融合器。
【具体实施方式】
[0024]如图1所示，是根据本发明的一个实施例的个性化椎间融合器设计具体实施流程图，包括以下步骤:
[0025]步骤101:图像采集及预处理。
[0026]对椎骨进行螺旋CT扫描，获取椎骨CT图像。将获取的椎骨的原始图像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。
[0027]步骤102:椎体图像分割及三维模型的建立。
[0028]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
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[0029]步骤103:椎体模型测量。
[0030]椎体矢状径和横状径在椎体模型的上终板平面上进行获取。采用软件的剖切功能，剖切三维椎体模型，得到椎体上终板平面(图2)。在终板平面上找到平分椎体模型成左右两半的前-后轴L (图2)，测量前-后轴L与椎体模型边缘两交点C、D (图2)间的距离，该距离即为椎体的矢状径。测量与前-后轴L相垂直的直线与椎体模型边缘两交点间的距离，其中距离最大的两点A、B(图2)间的距离即为椎体横状径。椎间隙的高度在椎体模型正中矢状面(图3)进行测量。在正中矢状面上手动获取椎体终板的前后边缘点E、F、G、H(图3)以及终板中心点1、J(图3)。测量上下椎体终板前缘点F、H(图3)的距离即为椎间隙前缘高度，两椎体终板后缘点E、G(图3)的距离即为椎间隙后缘高度，两终板中心点
1、J(图3)的距离即为椎间隙中心高度。
[0031]步骤104:椎间融合器的设计及植入。
[0032]在已有的椎间融合器模型库中，根据椎体的上缘解剖形态(曲线，平台)，选择融合器的几何形状(弧度)，根据椎间隙高度确定椎间融合器的高度，根据椎体横径，椎体矢径确定椎间融合器的长度与宽度。设计的原则是使椎间融合器贴合解剖结构，达到更大的接触面积，满足力学强度，促进融合。对于双枚椎间融合器，将其对称植入于椎体后半部(图4)。首先将椎体边缘内缩三分之一，获得图4所示的灰色区域，椎间融合器不能植入该部分。将一枚椎间融合器与点D(图4)对齐，向右侧移动，直至其与灰色区域接触上，完成该枚椎间融合器的植入位置的确定，然后对称地放置另一枚椎间融合器。对于单枚椎间融合器，将其斜植入椎体中心(图5)。首先将椎间融合器长轴h方向与椎体矢状径成45度放置，将椎间融合器后缘与点D(图5)重合，然后向一侧平行移动椎间融合器，直到椎间融合器长轴h通过椎体中心0(图5)，完成单枚椎间融合器的植入。
[0033]步骤105:有限元网格划分及平滑。
[0034]采用基于体素的网格划分方法对椎体进行网格划分。首先将各部分的像素用不同的编码表示；然后将上下层相邻的8个像素作为节点连接成I个体素，去除冗余的体素，将剩余的体素作为一个八节点的六面体单元。在模型表面和不同材料界面处的单元的八个节点的像素编码是不一样的，此时采用镜像剖分的方法把每个边界六面体单元分解为5个四面体单元，然后通过移动这些四面体单元的节点来进行界面的平滑；为了减少计算量，对于材料一致的一些单元将根据需要进行合并。采用映射的方法将已有的椎间融合器模型库中的标准椎间融合器模型的有限元网格映射到所设计的个性化椎间融合器上，实现椎间融合器的网格划分。有限元网格划分的一个结果实例如图6所示。
[0035]步骤106:材料的赋值及边界条件设置。
[0036]利用单元节点灰度计算出单元的弹性模量，设置模型皮质骨厚度和小关节摩擦系数，假设松质骨材料为各向同性，椎间融合器与椎体之间采用面-面接触。下椎体的下终板所有自由度全部固定，选取上椎体的上终板中心点R，通过在R上施加向下压力模拟椎体承重，施加转矩模拟前屈、后伸、侧弯、扭转。通过上述步骤，完成植有椎间融合器的椎体有限元模型的建立。
[0037]步骤107:有限元模型的求解及分析。
[0038]采用体素有限元模型求解常用的算法EBE-PCG (element by elementprecon-dit1ned conjugate gradient)算法进行求解,得到最大主应力，等效应力，下沉和位移，用来评价椎体及椎间融合器的应力分布情况及位移情况，从而确定设计是否合理。对于不合理的设计，返回到步骤4对设计进行修改，并最终实现既考虑几何匹配又考虑功能匹配的个性化椎间融合器的设计。最终设计的个性化椎间融合器以STL格式输出(图7)。
[0039]实施例个性化腰椎椎间融合器的设计
[0040]将L3-L4腰椎进行螺旋CT扫描，扫描参数:层厚0.63mm，层距0.63mm，球管电压120kV，电流225mAs，分辨率512*512pxl，得到150张腰椎CT图像。将这150张CT数据导入软件中进行中值滤波、高斯滤波及二值化处理。
[0041]首先在软件水平面视图区手动挑选一个具有椎体及椎弓的图片作为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。
[0042]采用软件的剖切功能，剖切三维椎体模型，得到椎体上终板平面(图2)。在终板平面上找到平分椎体模型成左右两半的前-后轴L (图2)，测量前-后轴L与椎体模型边缘两交点C、D(图2)间的距离，得到椎体矢状径。测量与前-后轴L相垂直的直线与椎体边缘两交点间的距离，其中距离最大的两点A、B(图2)间的距离即为椎体横状径。在正中矢状面上手动获取椎体终板的前后边缘点E、F、G、H(图3)以及终板中心点1、J(图3)。测量上下椎体终板前缘点F、H(图3)的距离得到椎间隙前缘高度，两椎体终板后缘点E、G(图3)的距离得到椎间隙后缘高度，两终板中心点1、J(图3)的距离得到椎间隙中心高度。
[0043]选取JAGUAR?LUMBAR I/F CAGE (尺寸:高=9mm,宽=9mm,长=25mm,弹性模量:3600MPa，泊松比:0.25)作为参考模型，根据所测出的椎体横状径来设计新的椎间融合器的长度，根据椎间隙高度来设置新的椎间融合器的高度。
[0044]将双枚椎间融合器植入于椎体后半部。对模型进行网格划分及平滑。设置小关节摩擦系数为0.1，假设松质骨材料为各向同性，椎间融合器与椎体之间采用面-面接触。L4椎体的下终板所有自由度全部固定，选取L3椎体的上终板中心点R，通过在R上施加400N向下压力模拟椎体承重，施加10N-m转矩模拟前屈、后伸、侧弯、扭转。
[0045]采用体素有限元模型求解常用的算法EBE-PCG (element by elementprecon-dit1ned conjugate gradient)算法进行求解，得到最大主应力，等效应力，下沉和位移，用来评价椎体及椎间融合器的应力分布情况及位移情况，从而确定设计是否合理。对于不合理的设计，返回到步骤4对设计进行修改，并最终实现既考虑几何匹配又考虑功能匹配的个性化椎间融合器的设计。最终设计的个性化椎间融合器以STL格式输出(图7)。
[0046]应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。
[0047]附图标号说明
[0048]101、图像采集及预处理102、椎体图像分割及三维模型的建立
[0049]103、椎体模型测量104、椎间融合器的设计及植入
[0050]105、有限元网格划分及平滑106、材料的赋值及边界条件设置
[0051]107、有限元模型的求解及分析。
【权利要求】
1.一种个性化椎间融合器模型的设计方法，其特征在于包括以下步骤: 1)图像采集及预处理:将椎骨进行螺旋CT扫描，然后将CT扫描仪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)椎体三维模型测量:椎体的矢状径和横状径在椎体三维模型的上终板平面上进行获取，椎间隙的高度在椎体三维模型的正中矢状面进行测量； 4)椎间融合器模型的设计及植入:在已有的椎间融合器模型库中，根据椎体三维模型的上缘解剖形态，选择融合器模型的几何形状，根据椎间隙高度确定椎间融合器模型的高度，根据椎体横径、椎体矢径确定椎间融合器模型的长度与宽度，根据植入的椎间融合器模型的数量，将其植入到椎体三维模型的不同部位； 5)有限元网格划分及平滑:分别对椎体三维模型及椎间融合器模型进行有限元网格划分和平滑； 6)材料的赋值及边界条件设置:设置椎体三维模型各部分的材料属性及边界条件，通过上述步骤，完成植有椎间融合器模型的椎体有限元模型的建立； 7)有限元模型的求解及分析:采用体素有限元模型求解算法对椎体有限元模型进行求解，求解结果用来评价椎体三维模型及椎间融合器模型的应力分布情况及位移情况，从而确定设计是否合理；对于不合理的设计，返回到步骤4)对设计进行修改，最终实现既考虑几何匹配又考虑功能匹配的个性化椎间融合器模型的设计。
2.根据权利要求1所述的个性化椎间融合器模型的设计方法，其特征在于，第I)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所述的个性化椎间融合器模型的设计方法，其特征在于，第4)步所述椎间融合器模型植入部位的具体方式为:对于双枚椎间融合器模型，将其对称植入椎体三维模型后半部，对于单枚椎间融合器模型，将其斜植入椎体三维模型中心。
4.根据权利要求1所述的个性化椎间融合器模型的设计方法，其特征在于，第5)步所述有限元网格划分及平滑具体方式为:采用基于体素的网格划分方法对椎体三维模型进行网格划分及平滑，采用映射的方法对所设计的椎间融合器模型进行网格划分。
5.根据权利要求1所述的个性化椎间融合器模型的设计方法，其特征在于，第7)步所述求解结果具体包括最大主应力，等效应力，下沉和位移。
【文档编号】G06F17/50GK104318009SQ201410558933
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】李淑宇, 蒲放, 梁航, 张明峥, 李德玉, 樊瑜波 申请人:北京航空航天大学