一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法与流程

本发明涉及一种前路椎间融合器的设计工艺，特别是一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法。

背景技术：

腰椎间融合术是治疗脊柱退行性病变的常用方法，用于阻止病痛节段的活动。在术中，椎间盘被移除，取而代之的是植入融合器与移植骨。椎间融合器在腰椎间融合术中起到恢复椎隙高度、稳定脊柱的作用，进而为相邻椎体的融合提供合适的力学环境。现有的融合器一般都是中间部分为上下贯通的孔，用以填充移植骨，外周为实体部分，用以提供力学支撑。目前，市面上融合器多为标准化的融合器，由于患者的个性化差异，标准化的融合器并不是对于所有的患者都是适用的，往往会出现一些并发症，严重的会发生融合失败。在给定融合器尺寸大小后，如果融合器与椎体终板的接触面积过小，将造成终板-融合器界面应力过高而引发融合器的沉降或者造成融合器的强度不够而发生损坏，这就要求在设计时实体部分体积尽可能大，以提供足够的力学支撑；相反地，如果融合器与椎体终板的接触面积过大，这样就没有足够的空间留给填充移植骨，也不利于融合，这就要求在设计时实体部分体积尽可能小，以尽可能多地填充移植骨。因此，急需一种能够合理平衡上述矛盾的融合器设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法。本发明不仅具有能够提高融合器强度的特点，还具有便于与椎体融合的特点。

本发明的技术方案：一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法，包括以下步骤：

a、椎体图像采集及三维重建，得到三维椎体模型；

b、建立前路椎间融合器的初始模型：对三维椎体模型进行几何特征测量，根据测量得到的几何特征数据建立得到前路椎间融合器初始模型；

c、建立椎体-初始融合器模型：将前路椎间融合器初始模型植入三维椎体模型的相应位置，得到椎体-初始融合器模型；

d、建立椎体-初始融合器有限元模型：通过有限元软件对椎体-初始融合器模型中的三维椎体模型和前路椎间融合器初始模型进行有限元网格划分，设置椎体-初始融合器模型的材料属性及边界条件，并对椎体-初始融合器模型施加相应的力学加载，生成含有椎体有限元模型和初始融合器有限元模型的椎体-初始融合器有限元模型；

e、优化椎体-初始融合器有限元模型中的初始融合器有限元模型的密度分布：采用骨重建方法更新前路椎间融合器初始模型的材料属性，得到优化后的初始融合器有限元模型的密度分布云图；

f、定型，得到前路椎间融合器模型：对调整优化后的初始融合器有限元模型的密度分布云图上的密度值进行二值化操作，将密度分布云图上密度值低于特定阈值区域的密度值设置为0，将密度分布云图上剩余部分的密度值均设置为最大值ρmax，得到融合器有限元模型；掏空融合器有限元模型中密度值为0的部位，保留融合器有限元模型的剩余部分，得到前路椎间融合器有限元网格模型，将前路椎间融合器有限元网格模型转换得到前路椎间融合器模型；

g、预估前路椎间融合器模型植入椎体后的效果：将前路椎间融合器模型植入到三维椎体模型的上、下位椎体间，建立椎体-优化融合器有限元模型，进行骨重建仿真，预估前路椎间融合器模型植入椎体后的效果。

前述的一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法中，所述步骤a的具体步骤为：将病人腰椎进行ct扫描，然后将ct扫描获取的椎骨原始数据导入医学图像处理软件中，分割出每张ct片上的椎骨，采用体绘制方式重建出需要植入前路椎间融合器的上、下两节椎体的三维结构，得到三维椎体模型。

前述的一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法中，所述步骤b中的几何特征数据包括椎体矢状径、椎体横状径和椎间隙高度；前路椎间融合器的初始模型为圆盘形状，圆盘形状的宽度为2/3～3/4的椎体横状径，圆盘形状的长度为2/3～3/4的椎体矢状径，圆盘形状的高度为椎间隙高度。

前述的一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法中，步骤d中有限元网格划分的具体方法为：在有限元软件中对三维椎体模型和前路椎间融合器初始模型进行有限元网格划分，椎体网格单元采用四面体单元或六面体单元，前路椎间融合器初始模型网格单元采用六面体单元。

前述的一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法中，步骤e中骨重建方法的具体步骤为：

e1、计算得到前路椎间融合器初始模型的骨重建刺激量u/ρ，即单位质量的应变能密度，进而判断骨重建刺激量u/ρ与骨重建刺激阈值k关系；

e2、根据所判断的刺激量u/ρ与骨重建刺激阈值k之间的关系，按照骨重建控制方程进行骨密度的数值计算，当骨密度值达到收敛状态时则终止计算，不收敛则更新前路椎间融合器初始模型的材料属性继续计算直至骨密度达到收敛；

所述骨重建控制方程用分段函数形式表达，

其中，u是应变能密度；ρ为骨表观密度；b为骨重建速率；k为骨重建刺激阈值；s为惰性区域的宽度；t为时间增量。

前述的一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法中，前路椎间融合器的初始模型的材料属性的更新中，骨表观密度ρ与弹性模量e之间的公式为：e＝3790ρ³；其中，e单位为mpa，ρ的单位为g/cm³。

前述的一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法中，所述ρmax表示骨表观密度ρ的最大值，为融合器加工制作时所选用材料的密度值。

前述的一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法中，所述椎体-初始融合器模型包括三维椎体模型和前路椎间融合器初始模型；所述三维椎体模型包括上位椎体和下位椎体，上位椎体和下位椎体之间设有前路椎间融合器初始模型；所述上位椎体和下位椎体之间还设有韧带。

前述的一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法中，所述步骤g中预估前路椎间融合器模型植入椎体后效果所选取的评价指标为椎体的骨密度和移植骨的骨密度。

与现有技术相比，本发明通过采集病人的椎体图像建立三维椎体模型，并以此为依据建立前路椎间融合器的初始模型，从而能够根据不同患者进行个性化设置，从而可以有效的提高前路椎间融合器的融合效果；通过建立椎体-初始融合器有限元模型，并对椎体-初始融合器有限元模型中的初始融合器有限元模型的密度分布进行合理优化，基于骨重建方法，对初始融合器有限元模型的密度分布进行优化，使得到的前路椎间融合器能以最少的材料得到最大的强度，达到最佳的拓扑结构，结构稳定，强度好，使用寿命长。综上所述，本发明不仅具有能够提高融合器强度的特点，又具有便于与椎体融合的特点。

附图说明

图1是下位椎体的俯视图；

图2是三维椎体模型的结构视图；

图3是前路椎间融合器初始模型的结构示意图；

图4是椎体-初始融合器有限元模型的结构示意图；

图5是优化后的初始融合器有限元模型的密度分布云图；

图6是前路椎间融合器模型。

附图中的标记为：1-上位椎体，2-下位椎体，3-前路椎间融合器初始模型，4-韧带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1。一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法，构成如图1至图6所示，包括以下步骤：

a、椎体图像采集及三维重建，得到三维椎体模型；

b、建立前路椎间融合器的初始模型：对三维椎体模型进行几何特征测量，根据测量得到的几何特征数据建立得到前路椎间融合器初始模型；

c、建立椎体-初始融合器模型：将前路椎间融合器初始模型植入三维椎体模型的相应位置，得到椎体-初始融合器模型；

d、建立椎体-初始融合器有限元模型：通过有限元软件对椎体-初始融合器模型中的三维椎体模型和前路椎间融合器初始模型进行有限元网格划分，设置椎体-初始融合器模型的材料属性及边界条件，并对椎体-初始融合器模型施加相应的力学加载，生成含有椎体有限元模型和初始融合器有限元模型的椎体-初始融合器有限元模型；

e、优化椎体-初始融合器有限元模型中的初始融合器有限元模型的密度分布：采用骨重建方法更新前路椎间融合器初始模型的材料属性，得到优化后的初始融合器有限元模型的密度分布云图；

f、定型，得到前路椎间融合器模型：对调整优化后的初始融合器有限元模型的密度分布云图上的密度值进行二值化操作，将密度分布云图上密度值低于特定阈值区域的密度值设置为0，将密度分布云图上剩余部分的密度值均设置为最大值ρmax，得到融合器有限元模型；掏空融合器有限元模型中密度值为0的部位，保留融合器有限元模型的剩余部分，得到前路椎间融合器有限元网格模型，将前路椎间融合器有限元网格模型转换得到前路椎间融合器模型；

特定阈值的在ρmin和ρmax之间选取。

g、预估前路椎间融合器模型植入椎体后的效果：将前路椎间融合器模型植入到三维椎体模型的上、下位椎体间，建立椎体-优化融合器有限元模型，进行骨重建仿真，预估前路椎间融合器模型植入椎体后的效果。

所述步骤a的具体步骤为：将病人腰椎进行ct扫描，然后将ct扫描获取的椎骨原始数据导入医学图像处理软件中，分割出每张ct片上的椎骨，采用体绘制方式重建出需要植入前路椎间融合器的上、下两节椎体的三维结构，得到三维椎体模型。

所述步骤b中的几何特征数据包括椎体矢状径、椎体横状径和椎间隙高度；前路椎间融合器的初始模型为圆盘形状，圆盘形状的宽度为2/3～3/4的椎体横状径，圆盘形状的长度为2/3～3/4的椎体矢状径，圆盘形状的高度为椎间隙高度。

在计算机辅助设计软件中，将所重建出的上位椎体的下终板切除，下位椎体的上终板切除，以模拟脊柱融合手术中的切除终板操作。具体的做法是将上位椎体的下表面切平，下位椎体的上表面切平，即认为完成了终板切除。在完成切除操作的下位椎体上表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-后轴相垂直的直线和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。测量上位椎体的下表面和下位椎体的上表面两个平面间的距离，作为椎间隙高度。

步骤d中有限元网格划分的具体方法为：在有限元软件中对三维椎体模型和前路椎间融合器初始模型进行有限元网格划分，椎体网格单元采用四面体单元或六面体单元，前路椎间融合器初始模型网格单元采用六面体单元。

步骤e中骨重建方法的具体步骤为：

e1、计算得到前路椎间融合器初始模型的骨重建刺激量u/ρ，即单位质量的应变能密度，进而判断骨重建刺激量u/ρ与骨重建刺激阈值k关系；

e2、根据所判断的刺激量u/ρ与骨重建刺激阈值k之间的关系，按照骨重建控制方程进行骨密度的数值计算，当骨密度值达到收敛状态时则终止计算，不收敛则更新前路椎间融合器初始模型的材料属性继续计算直至骨密度达到收敛；

在计算时，为了避免在除法计算中出现0值作为分母造成计算错误，设置骨表观密度ρ的最小值为略大于0的ρmin。设置骨表观密度ρ的最大值为融合器加工制作时所选用材料的密度值ρmax。骨重建完成时，所有单元的密度将处于下列三种情况之一：位于惰性期间、达到最小值ρmin、达到最大值ρmax，从而得到调整优化后的初始融合器有限元模型的密度分布云图。

所述骨重建控制方程用分段函数形式表达，

其中，u是应变能密度；ρ为骨表观密度；b为骨重建速率；k为骨重建刺激阈值；s为惰性区域的宽度；t为时间增量。

前路椎间融合器的初始模型的材料属性的更新中，骨表观密度ρ与弹性模量e之间的公式为：e＝3790ρ³；其中，e单位为mpa，ρ的单位为g/cm³。

所述ρmax表示骨表观密度ρ的最大值，为融合器加工制作时所选用材料的密度值。

所述椎体-初始融合器模型包括三维椎体模型和前路椎间融合器初始模型；所述三维椎体模型包括上位椎体1和下位椎体2，上位椎体1和下位椎体2之间设有前路椎间融合器初始模型3；所述上位椎体1和下位椎体2之间还设有韧带4。

所述步骤g中预估前路椎间融合器模型植入椎体后效果所选取的评价指标为椎体的骨密度和移植骨的骨密度。

通过调整特定阈值，可以获得不同的融合器设计。阈值范围在ρmin和ρmax之间。

将得到的不同设计的融合器模型分别植入到上、下位椎体间，分别建立椎体-优化融合器有限元模型，进行植入术后远期效果评价。在评价时，对椎体和移植骨进行骨重建仿真。假设骨重建只发生在椎体松质骨、椎体后部单元和移植骨区域，而不发生在椎体皮质骨区域。重建完成后，选取椎体的骨密度和移植骨的骨密度作为评价指标，分析不同设计的融合器植入后的远期骨密度变化情况，从而选择最优的融合器设计。最终设计的个性化椎间融合器以stl格式输出，用于后续的加工制造。

实施例2。一种基于骨重建原理的个性化前路椎间融合器设计方法，构成如图1至图6所示，包括以下步骤：

步骤101：椎体图像采集及三维重建

将病人腰椎进行ct扫描，设置层厚为0.63mm，分辨率为0.39mm×0.39mm，每层图像的大小为512×512像素，然后将ct扫描获取的椎骨的原始数据导入mimics等医学图像处理软件中，采用手工分割方法分割出每张ct片上的椎骨，最后采用体绘制方式重建出需要植入融合器的上、下两节椎体的三维结构。在本实例中，重建的是l3和l4两节椎体。

步骤102：前路椎间融合器的初始模型建立

在计算机辅助设计软件solidworks中，将所重建出的上位椎体l3的下终板切除，下位椎体l4的上终板切除，以模拟脊柱融合手术中的切除终板操作。具体的做法是将l3椎体的下表面切平，下位椎体l4的上表面切平，即认为完成了终板切除。在完成切除操作的下位椎体l4上表面上测量椎体矢状径ab和椎体横状径cd值(图1)。测量上位椎体l3的下表面和下位椎体l4的上表面两个平面间的距离ef(图2)，作为椎间隙高度。

如图3所示，为该实施例中的前路椎间融合器的初始模型，其形状为圆盘状，其宽度为椎体横状径cd的2/3～3/4范围内，其长度为椎体矢状径ab的2/3～3/4范围内，其高度为椎间隙高度ef。由于椎间融合器初始模型尺寸较大，无法从后路手术中植入，须从前路手术植入，因此，所要设计的融合器为前路椎间融合器。

步骤103：椎体-融合器有限元模型的建立

在有限元软件abaqus中对上、下位椎体和前路椎间融合器初始模型进行有限元网格划分，椎体网格单元采用四面体单元，前路椎间融合器初始模型网格单元采用六面体单元。完成有限元网格划分后，设置相应的材料属性及边界条件，施加相应的力学加载，完成椎体-初始融合器有限元模型的建立(图4)。该有限元模型由前路椎间融合器初始模型，上位椎体、下位椎体和韧带组成。

步骤104：基于骨重建原理的前路椎间融合器密度分布优化

将待优化的前路椎间融合器看成一块遵从骨重建规律的“骨骼”，其拓扑优化的过程看成骨重建过程，采用骨重建方法更新“骨骼”材料的属性，直到平衡从而获得最佳的密度分布。

骨重建控制方程中各参数设置如下：b＝1.00(g/cm³)²/(mpa·单位时间)，k＝0.004j/g，s＝10％。设置初始前路椎间融合器(“骨骼”)的弹性模量为100mpa，通过公式计算得初始表观密度为0.2977g/cm³。设置表观密度的最小值为0.01g/cm³，最大值设为弹性模量为3600mpa(peek材料弹性模量)时对应的密度0.9830g/cm³。骨重建完成时，所有单元的密度将处于下列三种情况之一：位于惰性期间、达到最小值0.01g/cm³、达到最大值0.9830g/cm³，从而得到融合器优化后的密度分布云图(图5)。

步骤105：前路椎间融合器设计定型

经过步骤101-104，完成了前路椎间融合器密度分布优化，此时的椎间融合器各部分的密度都不一致，这样的融合器加工制造起来十分困难。因此，对融合器的密度进行一个二值化操作，在融合器优化后的密度分布云图上，将密度低于特定阈值的部位的密度设置为0，在设计时掏空这部位，用于手术时植入移植骨，将剩余部分的密度都设置为最大值ρmax，在设计时保留该部分。通过调整该特定阈值，可以获得不同的融合器设计。二值化操作后的融合器模型形状可能并不规则，需要进行适当调整，使其形状变得较为规则，以便加工制造。如图5所示，为该实施例的融合器优化后的密度分布云图。从图5可知，密度从中间往外逐渐增大，且密度分布大概分成高、中、低三个部分。基于该分布图，采用规则的几何形状来对中、低密度区进行描述，将低密度区或中+低密度区掏空，以用于填充移植骨，得到两个不同的优化融合器模型：优化的融合器模型s、优化的融合器模型l。

步骤106：基于骨重建仿真的融合器植入术后远期效果评价

将上一步得到的不同设计的融合器模型(优化的融合器模型s、优化的融合器模型l)分别植入到上、下位椎体间，分别建立椎体-优化融合器s、椎体-优化融合器l有限元模型，进行植入术后远期效果评价。在评价时，对l3、l4椎体和移植骨进行骨重建仿真。选取上、下位椎体的骨密度和移植骨的骨密度作为评价指标，分析不同设计的融合器植入后的远期骨密度变化情况，从而选择最优的融合器设计。最终设计的个性化椎间融合器以stl格式输出，用于后续的加工制造。