[發明專利]一種椎弓根釘棒改進和增加椎體填充物的有限元仿真分析方法

在審

• 申請號: 202210722113.7
• 申請日: 2022-06-24
• 公開（公告）號: CN115120342A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 殷志俊;許江平;謝炎秋
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10;A61B17/70;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 南京智造力知識產權代理有限公司 32382
• 代理人: 胡德水

本發明提供了一種椎弓根釘棒改進和增加椎體填充物的有限元仿真分析方法，該方法包括：對正常人脊椎模型進行重建；對模型進行局部修改和優化；骨折椎體幾何模型的建立；椎弓根釘的設計；螺母的設計；椎弓根棒的設計；椎體填充物的建立；椎弓根釘棒的裝配；材料賦值；韌帶建立；網格劃分；接觸對、邊界條件及載荷的施加；正常椎模型的有效性驗證；各固定方式的仿真分析。本發明基于人體椎體CT掃描圖像，采用有限元軟件預測椎體爆裂性骨折下椎弓根釘棒、骨折椎體的應力以及骨折椎體的變形，為臨床醫學在治療該類病人采用何種椎體填充物、何種固定方式以及何種釘棒形狀提供一種有限元分析方法。

技術領域

本發明涉及醫學、機械設計、仿真分析領域，具體涉及應用于脊椎爆裂性骨折治療中后路椎弓根釘棒改良和增加椎體填充物的仿真方法研究。

背景技術

椎體爆裂性骨折是脊椎骨折的常見類型，治療方法最常采用后路椎弓根固定法，對骨折椎體進行固定和減壓，目前對脊椎骨折常用的研究方法是有限元分析法，椎體爆裂性骨折是椎體的常見損傷類型，多由車禍和墜傷所致，臨床表現為椎體壓縮、前中柱破壞、后凸畸形及脊髓神經受壓等癥狀，若未及時治療可導致脊柱負重功能喪失，嚴重者可導致癱瘓。因此需要手術進行固定、復位,解除椎管內壓迫,促進神經恢復和防止神經再損傷。

后路手術由于手術入路簡單、創傷和并發癥少、可直接探查修復骨折導致的硬脊膜撕裂傷及神經斷裂等優點以及經后路復位椎管內骨折塊等手術技術的發展，在臨床上治療爆裂性骨折得到廣泛應用。其中經傷椎短節段、跨傷椎短節段、經傷椎長節段和跨傷椎長節段是后入路手術的常用固定方式。然而，盡管它是當今最流行的技術，但它也不是完全沒有并發癥(包括器械失效、鄰近節段疾病和新的鄰近椎骨骨折)。

有限元分析最早是在70多年前發展起來的，它在生物力學上的模擬最早可追溯到20世紀70年代末。之后在評估脊椎生物力學方面得到廣泛應用。在多向載荷條件下，使用有限元法對后路器械和脊柱進行分析，用于檢查器械和椎體的運動學，以及后路脊柱器械中的應力，不僅有助于確定器械可能發生故障的位置，還有助于確定脊柱的方向穩定性。

基于有限元法的明顯優勢，本研究采用有限元分析法對各固定方式進行仿真分析。但是，傳統的椎弓根釘棒固定方式釘棒接觸面小易導致應力集中，沒有椎體填充物進行支撐增大了骨折椎體所受應力，大大減少各固定方式的穩定性。本發明改進了椎弓根釘棒的接觸方式，為骨折椎體進行內部填充，減少了椎體和椎弓根釘棒的應力，提高了椎弓根釘棒的固定方式的穩定性。

發明內容

本發明的目的是針對后路椎弓根釘棒接觸部位應力集中問題，而提供了一種減少各固定方式椎弓根釘棒及骨折椎體的應力的釘棒模型及填充物材料的有限元方法。本發明的目的是這樣實現的：包括如下步驟：

步驟1：對正常人脊椎模型進行重建；

步驟2：對模型進行局部修改和優化；

步驟3：骨折椎體幾何模型的建立；

步驟4：椎弓根釘的設計；

步驟5：螺母的設計；

步驟6：椎弓根棒的設計；

步驟7：椎體填充物的建立；

步驟8：椎弓根釘棒的裝配；

步驟9：材料賦值；

步驟10：韌帶建立；

步驟11：網格劃分；

步驟12：接觸對、邊界條件及載荷的施加；

步驟13：正常椎模型的有效性驗證。

步驟14：各固定方式的仿真分析。

步驟4具體為：將釘與棒的接觸面設為弧形面，一方面增加釘棒接觸面，另一方面減小前屈運動的應力，如圖1所示。