CN114305810A

CN114305810A - 基于有限元分析制作仿生椎板的方法及仿生椎板

Info

Publication number: CN114305810A
Application number: CN202111621078.1A
Authority: CN
Inventors: 冯世庆; 刘洋; 喻鹏; 班德翔
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本申请提供了一种基于有限元分析制作仿生椎板的方法及仿生椎板，前者包括：步骤S1，获取患者的脊柱影像数据，脊柱影像数据包括病变椎板及脊柱全长数据；步骤S2，基于脊柱影像数据进行三维重建得到初始三维模型，并根据病变椎板数据确定初始三维模型中病变椎板的参数；步骤S3，对病变椎板的参数进行修正，得到修正三维模型；利用有限元分析系统对修正三维模型进行受力分析，并根据受力分析结果对修正三维模型进行调整，得到符合人体脊柱生物力学的仿生椎板三维模型；步骤S4，基于仿生椎板三维模型进行三维打印，得到仿生椎板。本申请可以解决现有技术中仿生椎板匹配性差、神经损伤风险高及脊髓保护膜方式术后脊柱生物力学恢复差的问题。

Description

基于有限元分析制作仿生椎板的方法及仿生椎板

【技术领域】

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于有限元分析制作仿生椎板的方法，还涉及一种仿生椎板。

【背景技术】

后路腰椎手术是一种常见的临床手术，在手术过程中为了更好的进行减压，达到更好的手术效果，常常会将椎板给去掉，将部分脊髓暴露在外面。但是这为术后硬膜外瘢痕长入脊髓周围形成粘连、瘢痕挛缩性狭窄提供了可能性，并且术后还会出现背部手术失败综合症的发生，即再一次的腰背部疼痛。

而随着腰椎退行性病变，脊柱生物力学将会改变，后柱所承受的力将会越来越大。尤其是在PLIF(后路椎板间融合术)手术中，将后椎板去掉，会极大增加相邻椎板的退行性病变。因此，在手术中不能忽略脊柱后柱的完整性，以及脊柱生物力学的重要性。

现有技术的治疗手段主要包括普通仿生椎板和脊髓保护膜。使用普通的人工椎板虽然能将瘢痕与脊髓隔离开，但由于其匹配性差，无法适应每个人不同的脊柱形状，并且会造成严重的神经损伤，所以并未在临床大规模运用。若采用脊髓保护膜将瘢痕与脊髓隔离开，其并不能支持椎板的再生，不能恢复脊柱后柱生物力学，也有一定局限性。

【发明内容】

有鉴于此，本申请提供了一种基于有限元分析制作仿生椎板的方法及仿生椎板，用以解决现有技术中普通仿生椎板方式匹配性差、神经损伤风险高及脊髓保护膜方式术后脊柱生物力学恢复差的问题。

第一方面，本申请提供了一种基于有限元分析制作仿生椎板的方法，其包括如下步骤：

步骤S1，获取患者的脊柱影像数据，所述脊柱影像数据包括病变椎板数据及脊柱全长数据；

步骤S2，基于所述脊柱影像数据进行三维重建得到初始三维模型，并根据所述病变椎板数据及所述脊柱全长数据确定所述初始三维模型中病变椎板的参数；

步骤S3，对所述病变椎板数据及所述脊柱全长数据的参数进行修正，得到修正三维模型；利用有限元分析系统对所述修正三维模型进行受力分析，并根据所述受力分析结果对所述修正三维模型进行调整，得到符合人体脊柱生物力学的仿生椎板三维模型；

步骤S4，基于所述仿生椎板三维模型进行三维打印，得到仿生椎板。结合第一方面，所述脊柱影像数据包括CT薄层扫描数据、X线正侧位片数据、病变部位MRI数据中的至少一种。

结合第一方面，所述对所述病变椎板的参数进行修正，得到修正三维模型的步骤，包括：

当所述病变椎板相对于脊柱发生旋转、滑脱或侧弯，对所述初始三维模型内的所述病变椎板的位置进行修正，使得所述病变椎板的旋转、滑脱或侧弯中至少其中之一被修正；和/或

当所述病变椎板发生畸形，对所述病变椎板本身的形状进行修正。

结合第一方面，在所述步骤S4中，利用立体光固化成型技术、分层实体制造技术、选择性激光烧结技术和熔融沉积成型技术中的至少一种进行三维打印；所述仿生椎板的材料为高分子材料、陶瓷材料、金属材料和生物活性成分中的至少一种。

结合第一方面，利用立体光固化成型技术进行三维打印，所述仿生椎板的材料为光敏树脂。

结合第一方面，所述仿生椎板的材料为碳纤维增强的聚醚醚酮。

第二方面，本申请还提供一种仿生椎板，所述仿生椎板是采用上述任一项所述的基于有限元分析制作仿生椎板的方法所制成的。

结合第二方面，所述仿生椎板包括相对设置的贴脊髓面和骨生成面，所述骨生成面上设置有棘突，所述棘突上设置有用于缝合肌肉和韧带的附着部。

结合第二方面，在所述仿生椎板的贴脊髓面上设置有激素缓释薄膜。

结合第二方面，在所述仿生椎板的骨生成面上设置有羟基磷灰石层，所述羟基磷灰石层包含骨形态发生蛋白。

结合第二方面，在贴脊髓面上设置了激素缓释薄膜、在仿生椎板的骨生成面上设置混合骨形态发生蛋白的羟基磷灰石层，如此，不仅可以促进恢复，还能通过骨传导、骨诱导作用促进自体椎板再生，重建脊柱后方韧带复合体，恢复脊柱生物力学，减少相邻椎板退行性病变的可能性。

采用上述技术方案后，有益效果是：

利用本申请实施例中的基于有限元分析制作仿生椎板的方法所制成的仿生椎板其形状结构更加符合人体生物力学，能很好地适应每个患者不同地脊柱状态，且能减少腰椎手术后瘢痕与脊髓硬膜的粘连，从而降低腰椎手术失败综合症的发生。

本申请实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请实施例的目的和其他优点在说明书以及附图所特别指出的结构来实现和获得。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的基于有限元分析制作仿生椎板的方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的初始三维模型示意图；

图3为本申请实施例提供的修改三维模型示意图；

图4为本申请实施例提供的对仿生椎板进行有限元受力分析后得出的结果图；

图5为本申请实施例提供的仿生椎板的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的仿生椎板的另一视角的结构示意图。

附图标记：

100、仿生椎板；

1、贴脊髓面；

2、骨生成面；

21、棘突；

211、附着部。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

【具体实施方式】

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

需要注意的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

下面根据本申请实施例提供的基于有限元分析制作仿生椎板的方法的结构，对其具体实施例进行说明。

请参阅图1，本申请提供一种基于有限元分析制作仿生椎板的方法，包括如下步骤：

步骤S1，获取患者的脊柱影像数据，脊柱影像数据包括病变椎板数据及脊柱全长数据；

步骤S2，基于脊柱影像数据进行三维重建得到初始三维模型，并根据病变椎板数据及脊柱全长数据确定初始三维模型中病变椎板的参数；

步骤S3，对病变椎板的及脊柱全长数据的参数进行修正，得到修正三维模型；利用有限元分析系统对修正三维模型进行受力分析，并根据受力分析结果对修正三维模型进行调整，得到符合人体脊柱生物力学的仿生椎板三维模型；

步骤S4，基于仿生椎板三维模型进行三维打印，得到仿生椎板。

在步骤S1中，可以采用信息采集系统获取患者的脊柱影像数据及脊柱全长数据，信息采集系统包括但不限于采用CT计算机断层成像(Computed Tomography)、X射线、核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging)手段对人体脊柱进行医学成像的设备。经过步骤S1后可以得到患者至少包含病变椎板部分的脊柱影像数据及脊柱全长数据。

在步骤S2中，可以将前述脊柱影像数据导入信息处理系统进行三维重建得出初始三维模型，该信息处理系统可以是Mimics软件或者任意能够实现将脊柱影像数据导出三维模型功能的软件，生成的三维模型可以以STL格式或者IGES格式导出并保存，此时保存的三维模型即为初始三维模型，其内包括病变椎板的参数及脊柱全长数据。如图2所示为一患者的初始三维模型示意图，可以从图2中看出明显地脊椎变形部位。在步骤S2中还需要根据前述脊柱影像数据确定病变椎板的所在部位参数，当病变椎板相对于脊椎滑脱时，可以利用X射线确定滑脱部位，以定位病变椎板，当病变椎板相对于脊椎偏移造成狭窄时，可以利用核磁共振成像确定狭窄部位从而确定病变椎板的位置。

在步骤S3中，可以将前述初始三维模型导入有限元分析系统，在本实施例中，初始三维模型可以是完成了网格划分操作的IGES格式文件，而有限元分析系统可以是ANSYS软件，利用ANSYS软件可以对初始三维模型进行修改，即对病变椎板的参数(包括位置、形状参数)及脊柱全长数据进行修正，以得到修正三维模型。利用有限元分析系统对修正三维模型进行受力分析，并根据受力分析结果对修正三维模型进行调整。上述步骤可以重复多次，以得到最符合人体脊柱生物力学的仿生椎板三维模型。

病变椎板的参数可能存在多种问题，比如：病变椎板相对于脊柱旋转、滑脱或侧弯，此时可以在有限元系统内对病变椎板的位置进行纠正；如果病变椎板属于先天畸形，此时可以在有限元系统内对病变椎板的形状进行纠正。如图3所示，为经过纠正后的修改三维模型的示意图，可以看出，此时脊椎的位置结构经过了一定调整，需要指出的是，在此过程中，每一次形状修改或者位置修改后，都可以利用有限元分析系统进行实时演算及受力分析，请参阅图4，为一实施例中对仿生椎板进行有限元受力分析后得出的结果图，通过多次的调整及演算，最终得出符合人体脊柱生物力学的仿生椎板三维模型，需要指出的是，该仿生椎板三维模型可以仅包括病变椎板部分也可以包括整个脊柱。

在其中一个实施例中，椎板发生旋转及滑脱，可以在步骤S3中对椎板的位置进行调整，并进行椎板重新排列，具体的，通过对矢状面计算并纠正腰椎前凸(LL)，矢状面轴向距离(SVA)，骨盆投射角(PI)，骨盆倾斜度(PT)和骶骨倾斜角(SS)来对椎板的位置进行纠正，以此来保证仿生椎板三维模型符合人体脊柱生物力学。

在其中一个实施例中，椎板发生侧弯，可以在步骤S3中对椎板的位置进行调整，对冠状面计算并纠正Cobb’s角，以解决脊柱侧弯的问题并得出符合人体脊柱生物力学的仿生椎板三维模型。

需要特别注意的是，本实施例中对初始三维模型中的病变椎板进行位置修改和/或形状修改以得到修改三维模型，相较于现有技术中直接采用统一设计的标椎化椎板或者直接打印的患者椎板，本申请中所打印出的椎板，其位置和/或形状得到修改以更符合人体的生物力学构造，如此，显然能提高使用感受及使用效果。

在步骤S4中，可以将仿生椎板的三维模型输入三维打印系统进行打印，从而得到仿生椎板。三维打印系统为SLA(立体光固化成型技术)打印系统、LOM(分层实体制造)打印系统、SLS(选择性激光烧结)打印系统和FDM(熔融沉积成型)打印系统中的至少一种，仿生椎板的材料为高分子材料、陶瓷材料、金属材料和生物活性成分中的至少一种。采用上述三维打印系统及打印材料，可以很好地模拟人体自体骨骼的弹性模量及形状结构，使得打印出的仿生椎板可以很好地代替缺损部位的椎板，优化患者的使用感受。

综上所述，本申请中所提供的基于有限元分析制作仿生椎板的方法，可以解决现有技术中的仿生椎板匹配性差、神经损伤风险高及脊髓保护膜方式术后脊柱生物力学恢复差的问题。且能很好的根据每根脊柱的具体情况灵活设计仿生椎板的结构与形状，进而使得利用本发明中公开的方法制作的仿生椎板具有更好的使用效果。

在其中一个实施例中，在步骤S1中，信息采集系统获取的患者的脊柱影像数据包括以下数据中的至少一种：CT薄层扫描数据、X线正侧位片数据，病变部位MRI数据。

可以理解，CT薄层扫描数据位置准确，有利于后续三维重建，X线正侧位片数据便于确定滑脱部位，以定位病变椎板，病变部位MRI数据可以确定狭窄部位从而定位病变椎板的位置。具体地，利用MRI矢、冠状位确定椎管狭窄部位，从而准确定位椎管狭窄部位及节段。

在其中一个实施例中，在步骤S3中，若病变椎板相对于脊柱发生旋转、滑脱或侧弯，则对病变椎板在初始三维模型内的位置进行修改，使得病变椎板的旋转、滑脱或侧弯中至少其中之一被纠正；若病变椎板发生畸形，则对病变椎板本身的形状进行修改。

请参阅图2至图4，当病变椎板相对于脊柱发生旋转、滑脱或侧弯时，先对其相对于脊柱的位置进行修改，再进有限元分析，通过反复地调整及演算，以得出最符合患者人体生物力学的三维模型，然后通过影像学数据确定椎板切除范围。再将该模型进行打印以得到仿生椎板。而当病变椎板发生畸形时，此时无论怎样调整其位置，都无法将脊柱的生物力学恢复到健康状态，所以在本实施例中，需要对病变椎板的形状及结构进行修改，并将修改后的模型代入原脊椎模型中进行受力分析，依据受力分析的结果不断调整病变椎板模型，最终得出符合患者人体生物力学的三维模型。

在其中一个实施例中，利用立体光固化成型技术进行三维打印，仿生椎板的材料为光敏树脂。

在本实施例中，采用立体光固化成型技术进行三维打印，其加工速度快、产品生产周期短，而且技术成熟、工艺稳定，可以快速打印出仿生椎板。而选用光敏树脂作为仿生椎板的材料一方面是便于配合立体光固化成型技术使用，另一方面，光敏树脂打印出的仿生椎板具有与人体骨骼相近的弹性模量，从而更好地对脊柱起到保护及支撑的作用。

在其中一个实施例中，仿生椎板的材料为碳纤维增强的聚醚醚酮。

碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料(carbon fiber reinforcedpolyetheretherketon，CFPEEK)，是指碳纤维以粉末、颗粒、连续纤维(长纤维)或者织物形式增强PEEK树脂基的复合材料。其中碳纤维以织物形式存在的简称为CFPEEK。该复合材料中，树脂基体赋予了优良的力学性能、热性能、耐化学腐蚀性和易加工性能；增强纤维则主要决定了复合材料的机械性能。该复合材料具有耐高低温、热膨胀系数小、吸能抗振、一定的导电性和导热性、良好的X光透光性、生物相容性、高强度、低弹性模量、耐磨损等优点。对比起传统的PEEK材料，CFPEEK可以促进骨细胞的蛋白合成和成骨，且无细胞毒性，具有良好的生物组织相容性。

本申请还提供了一种仿生椎板，仿生椎板是采用上述任一项所述的基于有限元分析制作仿生椎板的方法制成的。可以理解，本仿生椎板显然具有上述各有限元分析制作仿生椎板的方法中的优点。仿生椎板上可以设置常用的钉棒结构，以便于仿生椎板在术中与脊椎之间相固定。

请参阅图5及图6，在其中一个实施例中，在步骤S4中打印出的仿生椎板100上形成有相对设置的贴脊髓面1和骨生成面2，在骨生成面2上设置有棘突21，棘突21上设置有用于缝合肌肉和韧带的附着部211。

骨生成面2上设置有棘突21，棘突21上设置有用于缝合肌肉和韧带的附着部211，该附着部211可以是孔结构、凸起结构等，在骨生成面2上设置棘突21并在棘突21上设置附着部211可以方便术中缝合肌肉，即附着部211为肌肉和韧带的缝合操作提供了着力点，有利于脊柱后方韧带复合体的重建，如此，可以提高仿生椎板100后续使用时的稳定性，还有利于降低临近椎板退变(ASD)的风险。

在其中一个实施例中，在仿生椎板100的贴脊髓面1上设置激素缓释薄膜。

可以理解，激素缓释薄膜可以是任意有利于脊髓手术后抗炎性反应的药物膜，在术后可以持续给药，便于恢复。

在其中一个实施例中，在仿生椎板的骨生成面上设置混合骨形态发生蛋白的羟基磷灰石层。羟基磷灰石层与人体的自体骨骼成分相近，在骨骼生长时可以提供很好的相容性，且具有良好的力学属性，而骨形态发生蛋白可以促进骨骼生长。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种基于有限元分析制作仿生椎板的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S4，基于所述仿生椎板三维模型进行三维打印，得到仿生椎板。

2.根据权利要求1所述的基于有限元分析制作仿生椎板的方法，其特征在于，所述脊柱影像数据包括CT薄层扫描数据、X线正侧位片数据、病变部位MRI数据中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的基于有限元分析制作仿生椎板的方法，其特征在于，所述对所述病变椎板的参数进行修正，得到修正三维模型的步骤，包括：

4.根据权利要求1所述的基于有限元分析制作仿生椎板的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，利用立体光固化成型技术、分层实体制造技术、选择性激光烧结技术和熔融沉积成型技术中的至少一种进行三维打印；所述仿生椎板的材料为高分子材料、陶瓷材料、金属材料和生物活性成分中的至少一种。

5.根据权利要求1或4所述的基于有限元分析制作仿生椎板的方法，其特征在于，利用立体光固化成型技术进行三维打印，所述仿生椎板的材料为光敏树脂。

6.根据权利要求4所述的基于有限元分析制作仿生椎板的方法，其特征在于，所述仿生椎板的材料为碳纤维增强的聚醚醚酮。

7.一种仿生椎板，其特征在于，所述仿生椎板是由权利要求1-6中任一项所述的基于有限元分析制作仿生椎板的方法制成的。

8.根据权利要求7所述的仿生椎板，其特征在于，所述仿生椎板包括相对设置的贴脊髓面和骨生成面，所述骨生成面上设置有棘突，所述棘突上设置有用于缝合肌肉和韧带的附着部。

9.根据权利要求8所述仿生椎板，其特征在于，在所述仿生椎板的贴脊髓面上设置有激素缓释薄膜。

10.根据权利要求8所述的仿生椎板，其特征在于，在所述仿生椎板的骨生成面上设置有羟基磷灰石层，所述羟基磷灰石层包含骨形态发生蛋白。