一种基于三周期极小曲面的椎间盘植入物的建模方法

1.本发明属于3d生物打印领域，具体涉及一种基于三周期极小曲面的椎间盘植入物的建模方法。


背景技术：

2.人体脊柱中腰椎间盘的作用至关重要，它能调节脊柱运动，具有较强的抗压、减震作用，当受到长期反复的载荷作用或者纤维环自身发生退变时，椎间盘内的髓核会向外挤压纤维环,导致纤维环发生破裂、髓核突出，进而产生腰椎间盘突出的症状。由于目前上班族，如程序员，需长时间保持单一的坐姿工作较长时间，此外由于电子产品如手机、平板等的普及，很多年轻人使用时长期保持不良姿势，也易使颈部产生劳损。因此现在颈椎病已逐渐成为临床脊柱外科的常见病。目前，我国约十分之一的人口患有颈椎病，而且发病年龄呈年轻化趋势。
3.椎间盘退变是产生颈部劳损最重要的致病因素，医学上通常称为颈椎病。得了颈椎病会引起颈部僵硬和疼痛，严重的甚至难以抓握和行走困难，这常常给病患者们的日常生活带来极大的不适和困扰。
4.一直以来，治疗颈椎病的方法除了保持治疗的物理牵引，主要临床手术方法是颈椎前路间盘切除融合术(anterior cervical discectomy and fusion，acdf)，这项技术通常被认为是治疗颈椎病的标准手术方法。acdf是通过融合自体骨骼，同种异体骨骼或相邻运动节段的人造骨骼，去除患病的椎间盘以缓解神经压力并治疗颈椎病。临床实践表明acdf对于治疗颈椎病是令人满意的，但是也同样存在问题，在相邻节段中引起椎间盘退变(adjacent segment degeneration，asd)和其他问题，例如融合失败，植入体的滑脱和老化等问题，为acdf工作的进一步改进留有空间。
5.在过去的十几年中，一种新兴的临床治疗方法开始应用，即人工颈椎间盘置换术(artificial cervicaldisc replacement，acdr)。这项技术目前已成为治疗颈椎病的新发展方向。acdr具有独特的优势，在于它不仅可以获得足够的减压效果并缓解颈椎病的症状，而且还可以尽可能的保持颈椎原有的生理运动功能。acdr技术的关键是为患者准备合适的颈椎间盘。
6.现在医学上使用的金属医疗用品大部分都是实心的，其力学性能较好，但通常质地比较坚硬，单这一点来说，这对植入体来说有明显的弊端。而多孔结构可以降低密度、刚度、强度和弹性模量，并且质量降低。因此多孔结构植入体与人体实际的弹性模量更贴近。
7.随着科学技术的快速发展，一种新兴的增材制造加工技术，即3d打印，正在快速发展。因其具有个性化定制设计和制造的特点。不仅可以在设计上实现多孔结构的制造，而且可以在短时间内加工出产品，非常适合用于制造人体颈椎间盘。


技术实现要素：

8.发明目的：本发明的目的在于为现有技术的弊端提供一种优化方案。采用实心结
构不利于植入物固定或采用多孔结构但孔隙结构单一、生物力学性能存在局限性等技术问题，本发明提供了一种基于三周期极小曲面的椎间盘植入物的建模方法，制备的椎间盘植入物因其特有的相互贯通的多孔微孔结构利于骨长入和生物力学特性，可以满足更多患者的临床需求。
9.技术方案：为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
10.本发明所述的一种基于三周期极小曲面的椎间盘植入物的建模方法，其具体操作步骤如下：
11.步骤(1)、首先，根据ct、mri图像的特点及对腰椎结构的认识，建立腰椎椎骨和椎间盘模型，添加椎骨周围起牵引作用的韧带，并对其进行修复处理和优化；
12.步骤(2)、其次，利用mathematica软件，建立极小曲面的模型，并通过与椎间盘模型进行布尔运算，最后得到多孔结构的椎间盘模型；
13.步骤(3)、然后，利用仿真软件进行生物力学的有限元分析，对模型施加载荷和设置边界条件，使其受力变形，分析颈椎上下椎体和椎间盘的运动、弯曲情况；再根据在生物医学领域中，对植入体的要求及其应用，分析所设计的人工椎间盘植入体的需求；
14.步骤(4)、再次，利用金属3d打印技术制备具有多孔结构的人工颈椎间盘，并对其力学性能测试，观察其是否符合人工颈椎间盘力学要求。
15.步骤(5)、最后，在椎间盘模型表面增加一层用于促进成骨细胞的生长、增殖和分化及钙盐沉积的羟基磷灰石。
16.进一步的，在步骤(1)中，利用ct扫描得到腰椎椎骨和椎间盘模型后的具体操作步骤如下：基于ct进行三维重建，将三维数据转换为二维图像；
17.首先，进行阈值分割，选择合理的阈值，分离背景和目标的峰；
18.然后，对其进行阈值平滑，将图像前后5个连续帧的阈值进行平均，从而获得当前图像的阈值，使图像过渡的比较平缓，减少尖角等不合理的地方，使模型更加准确；利用边缘检测，平滑提取图像边缘；运用形态学计算，使边界图像轮廓更加清晰，并增加图像的连续性，来有效填充区域之间凹陷的空白区域；
19.其次，利用滤波器对噪声进行滤波并提高信噪比，去除较大的噪声斑点；
20.最后，将模型保存成stl文件，再利用magics软件将多孔实体结构与椎间盘扫描重建结构进行布尔运算，获得一系列孔径大小或孔隙率不等的椎间盘植入物结构。
21.进一步的，所述的多孔实体结构是通过三重周期性基元参数建模方法创建椎间盘植入物模型中的孔；三周期极小曲面是一种在三维空间中3个独立方向均呈周期性的曲面，其面上的任一点平均曲率均为0，具有几何形状多样，并可构建参数化数学模型对其进行描述的优点；通过修改tpms隐函数表达式参数，可以实现孔隙大小和形状的精确控制。
22.进一步的，所述三周期极小曲面采用的是三周期极小曲面中的primitive结构，并通过调整primitive结构曲面构造参数，进而调整椎间盘植入物模型中孔的孔隙形状、孔径和孔隙率。
23.进一步的，所述的primitive函数表达式，使周期t为关于x,y,z的函数，则primitive曲面的孔结构会具有一定的梯度。
24.进一步的，所述方法为3d打印中的选择性激光熔化技术；采用选择性激光熔化技术时，首先，将零件的三维数字模型stl文件切成薄的切片模型，然后分层并导入到3d打印
设备的计算机打印软件中；预定层被放置在基板上，设置好粉末的厚度。
25.进一步的，高电压激发出的自由电子由电子枪发射出，经过聚焦磁场和加速电场后轰击到粉末层上，高速的带电粒子将动能转化成势能，释放大量热能，从而将粉末融化，根据零件的三维数字化模型设定的截面轮廓，选择性的烧结熔化粉层某一区域，以形成零件一个水平方向的二维截面，并且未扫描的区域认为粉末层保持不变。
26.进一步的，一层区域烧结融化完成后，成形缸活塞下降一定距离(70μm)，铺粉刮刀再次将粉末铺平，电子束依照零件下一层截面轮廓信息扫描烧结粉末。
27.进一步的，在上述过程反复逐层叠加，直至零件制造完毕。
28.进一步的，零件完成后，在其表面涂抹一层羟基磷灰石。
29.有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的特点是：1、本发明借助mri数据重建椎间盘和韧带软组织；2、本发明使用的tpms曲面的周期性，不需要将造孔单元进行阵列操作，可构建参数化数学模型对其进行描述，只需要给定建模边界即可由造孔单元拓展到整体结构，而且曲面结构的植入物比表面积大，更适宜细胞的黏附、生长；3、本发明的tpms曲面多孔结构可以降低密度、刚度、强度和弹性模量，并且质量降低。因此本发明的植入体与人体实际的弹性模量更贴近；4、本发明的曲面结构在接受椎间盘植入物的患者身体环境下可以有着更好的生物力学性能，与一般的结构相比，其应力屏蔽会有显著减小。除此以外，因其整体是镂空结构，骨组织可以更好地长入，因此其摩擦力及抗旋性能相比于一般的多孔结构也有明显增加，不易滑落；5、本发明提供了一种梯度多孔支架设计的方法，骨组织的结构与组成在空间上的变化，尤其是在承重骨中，组织的生物力学性能从皮质骨到松质骨是逐渐变化的，因此需要不同孔隙率、渗透率、刚度等不同性质的在空间中呈现梯度变化规律的非均质多孔支架。
附图说明
30.图1为本发明基于三重周期性基元参数建模方法构建的椎间盘植入物模型图；图中a为primitive曲面，b为变形primitive曲面，c～e为primitive曲面椎间盘植入物的模型结构，c为孔隙率54.94％的primitive曲面椎间盘植入物模型结构，d为孔隙率52.25％的primitive曲面椎间盘植入物模型结构，e为孔隙率53.05％的primitive曲面椎间盘植入物模型结构；f～h为变形primitive曲面椎间盘植入物模型结构，f为孔隙率55.75％的变形primitive曲面椎间盘植入物模型结构，g为孔隙率52.78％的变形primitive曲面椎间盘植入物模型结构，h为孔隙率54.78％的变形primitive曲面椎间盘植入物模型结构。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
32.实施列1
33.一种椎间盘植入物模型的制备方法，步骤如下：
34.(1)、用ct扫描患者颈椎部位，并参考mri数据，将三维数据转换为二维图像，灰色部分为人体软组织，中间白色的区域为骨质部分即颈椎骨，两节椎体之间灰色的部分为椎间盘；由于背景和目标具有不同的峰，所以根据图像的背景和目标灰度值的不同进行阈值
分割；由于ct图片分辨率有限等原因，三维模型根据灰度值阈值分割的结果比较粗糙，所以有必要平滑所获得的阈值；对图像前后5个连续帧的阈值进行平均，以获得当前图像的阈值，使图像过渡比较平缓，减少尖角等不合理的地方，再对阈值平滑后的模板进行边缘检测、形态学计算和降噪进一步优化；最后将模型已stl文件格式保存；
35.(2)、利用mathematica软件，采用参数化建模方式创建椎间盘植入物模型中的孔，对孔的孔隙形状、孔径和孔隙率进行设定(如图a、b)，然后利用magics软件，与图像处理后的椎间盘模型进行布尔运算拟合成椎间盘植入物模型(如图c)后，使用仿真软件进行有限元仿真测试，施加边界条件和载荷，分析在运动过程中椎间盘和椎体的运动位移和变形情况；
36.其中，参数建模方法来生成不规则的primitive结构作为多孔结构，primitive曲面结构满足：φ
p
(x,y,z)＝cos(k
x
x)+cos(kyy)+cos(kzz)-t，该曲面将三维空间划分为两个部分，其中一部分可以形成实体，另一部分则是孔隙，若定义φp＞0为实体部分，φp＜0为孔隙部分，φp＝0为交曲面则形成造孔单元；式中，ki代表结构内tpms单元分布密度，
37.定义为：其中，ni分别为x,y和z方向上tpms单元重复数，li为对应方向上的长度，t控制多孔结构实体体积分数；
38.(3)、选用选择性激光熔化技术制作椎间盘植入物，具体制备工艺如下：
39.1、真空和预热：首先真空分子泵将成型室的压力抽至10-4
mbar，然后电子束对整个底板进行扫描预热，底板升温至至700℃；
40.2、铺粉：铺粉刮刀负责取粉和铺粉；铺粉时，闭环控制系统会通过传感器检测和判断取粉的量是否达到最优化的工艺参数；
41.3、电子束扫描：高能电子束按照二维图像进行轮廓扫描和内部填充，金属粉末融化之后迅速凝固成型，从融化到凝固的所需要的时间约在10微秒内；
42.4、基板下降：一层打印结束后，基板下降70μm，然后刮刀取粉、铺粉；
43.6、重复步骤2、3、4，直至打印到最顶层；
44.6、打印完成后，等待设备冷却至常温后即可取出，得到3d打印制备成的钛合金人工颈椎间盘毛坯件；
45.(4)、使用真空热处理炉，进行回火处理，消除内应力，设定热处理工艺温度为900度，在真空度1.0
×
10-4
mpa压力下保温2小时后，随炉冷却后取出；
46.(5)、由于表面粗糙度较高，使用高精度数控机床进行凹球面和凸球面加工，铣削加工后，对需要活动配合的表面进行剖光处理，得到最终需要，符合临床标准的人工颈椎间盘成品；
47.(6)、对人工椎间盘进行体外实验，分析其实验结果与仿真结果是否吻合。
48.(7)、制备羟基磷灰石时，采用的是沉淀法和水热法相结合的方式；先将250ml的0.6mol/l h3po4溶液倒入三口烧瓶中，进行水浴加热，温度加热至40℃；接着将250ml的1mol/l ca(no3)2
·
4h2o溶液缓慢倒入到三口烧瓶中，一边倒入，一边搅拌；待充分混合后，用滴管把氨水滴加到混合溶液中，来调节混合溶液的ph值，待ph值至10.0，滴加完毕，接着等反应继续4小时；反应过程中要保持反应温度为40℃，ph值一直维持在10.0；
49.用丙酮，无水乙醇，去离子水对多孔ti6al4v合金片及co cr mo合金片依次进行超声洗涤后，将其固定在水热反应釜的底部，将生成的羟基磷灰石沉淀缓慢加入到水热反应
釜中；密闭后放入电热恒温鼓风干燥箱中，100℃下水热反应24小时；反应完成后，将多孔ti6al4v合金、多孔co cr mo合金片取出，在450℃的马弗炉中焙烧1h；
50.(8)、对表面有羟基磷灰石涂层的人工椎间盘进行成骨细胞活性试验和细胞凋亡实验，根据结果分析其生物相容性。
51.实施例2
52.本实施例中人工椎间盘模型的制备方法同实施例1，区别在于，椎间盘植入物的孔隙率不同(如图d、e)。具体操作步骤如下：对primitive曲面结构进行建模时，调整参数t。
53.实施例3
54.本实施例中人工椎间盘模型的制备方法同实施例1，区别在于，为了更好的符合从皮质骨到松质骨是逐渐变化的生物力学性能，椎间盘植入物模型的孔径有了一个线性梯度的变化(如图f)；具体操作步骤如下：对primitive曲面结构进行建模时，使其周期t为关于x，y，z的函数。
55.实施列4
56.本实施例中人工椎间盘模型的制备方法同实施例3，区别在于，椎间盘植入物的孔隙率不同(如图g、h)；具体操作步骤如下：对变形primitive曲面结构进行建模时，调整参数t。
57.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但其保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。