一種個性化椎間融合器設計方法
2023-10-07 06:23:59 1
一種個性化椎間融合器設計方法
【專利摘要】本發明涉及一種個性化椎間融合器設計方法，所述方法將椎體進行CT掃描，然後將CT連續斷層圖像數據進行三維模型重建，並對椎體模型進行測量，包括測量椎體矢狀徑、椎體橫狀徑、椎間隙高度等。在測量參數的基礎上進行椎間融合器的個性化設計及植入，通過網格劃分及平滑、材料賦值及邊界條件設定等完成有限元模型的建立，最後進行有限元模型的求解與分析，為椎間融合器的優化改進提供依據，並最終實現既考慮幾何匹配又考慮功能匹配的個性化椎間融合器的設計。
【專利說明】一種個性化椎間融合器設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種個性化椎間融合器設計方法，更具體地說是涉及一種基於CT圖像三維重建及測量技術、有限元分析技術對椎間融合器進行個性化設計的方法。
【背景技術】
[0002]在臨床椎體間融合術中，椎間融合器的植入方式、大小、空間形狀與神經損傷、植入穩定性、椎間植骨量密切相關。但是，因為患者生理參數和體內環境個性化特徵的差異較大，標準化、批量化、序列化生產的椎間融合器與人體的相互作用難以最優化，導致一些椎間融合器進入體內後，發生過度磨損、疲勞失效等。因此，椎間融合器的設計必須是個性化的。椎間融合器在體內面臨複雜的應力環境，這些應力既會影響椎間融合器自身結構的可靠性、也可影響椎間融合器功能的正常發揮和周圍宿主組織的改重建，是椎間融合器成敗的關鍵因素之一。因此，椎間融合器的性能不僅要考慮其材料選型、製備和表面改性，還應充分考慮其成為醫療器械的構型設計，以及它與周圍宿主組織之間的相互作用。目前，大多數的椎間融合器的設計基於幾何匹配需求，沒有實現基於功能匹配設計。
【發明內容】
[0003]為了克服目前大多數的椎間融合器的設計基於幾何匹配需求，沒有實現基於功能匹配設計的問題，本發明公開了一種個性化椎間融合器設計方法，所述方法是通過利用CT三維重建技術，在數位化虛擬環境下還原脊椎的解剖學結構特徵並進行三維測量，在此基礎上進行椎間融合器的個性化設計及植入，運用個性化有限元分析技術對所設計的椎間融合器進行分析及改進。
[0004]本發明根據實際需要，在所開發的軟體CageDesigner中導入CT/MRI等圖像數據，自動地進行脊柱椎體的分割，建立脊柱的幾何模型，自動地進行模型的網格劃分，並能模擬脊柱椎間融合手術過程及進行有限元分析，為椎間融合器的個性化設計提供參考。
[0005]本發明公開了一種個性化椎間融合器設計方法，具體包括以下步驟:
[0006]I)圖像採集及預處理:將椎骨進行螺旋CT掃描，然後將CT掃描儀獲取的椎骨的原始數據導入軟體中並按照圖像的編號對圖像進行自動排序和判斷。然後對導入的CT圖像進行中值濾波、高斯濾波及二值化處理。
[0007]2)椎體圖像分割及三維模型的建立:首先在軟體水平面視圖區手動挑選一個初始片層來啟動分割過程，手工繪製初始片層的椎體大致輪廓，然後採用水平集方法經過迭代獲取初始片層的椎體精確輪廓。此後的分割過程將會以參考圖層為起點從上、下兩個方向對所有片層進行分割操作。由於椎體CT圖像相鄰片層目標的變化幅度較小，故可得用已處理片層的分割結果所得輪廓作為相鄰片層的初始輪廓，然後運用水平集方法獲取所有椎體的精確輪廓。最後，可採用手工方法對所獲取的輪廓進行修正。對於分割的結果，採用體繪製方法進行繪製，並在窗口中進行顯示。
[0008]3)椎體模型測量:椎體矢狀徑和椎體橫狀徑在椎體模型的上終板平面上進行獲取。採用軟體的剖切功能，剖切三維椎體模型，得到椎體模型上終板平面。在終板平面上找到平分椎體模型成左右兩半的前-後軸，測量前-後軸與椎體模型邊緣兩交點間的距離，該距離即為椎體矢狀徑。測量與前-後軸相垂直的直線椎體模型邊緣兩交點間的距離，其中距離最大的即為椎體橫狀徑。椎間隙的高度在椎體模型正中矢狀面進行測量。在正中矢狀面上手動獲取椎體終板的前後邊緣點以及終板中心點。測量上下椎體終板前緣點的距離即為椎間隙前緣高度，兩椎體終板後緣點的距離即為椎間隙後緣高度，兩終板中心點的距離即為椎間隙中心高度。
[0009]4)椎間融合器的設計及植入:在已有的椎間融合器模型庫中，根據椎體的上緣解剖形態(曲線，平臺)，選擇融合器的幾何形狀(弧度)，根據椎間隙高度確定椎間融合器的高度，根據椎體橫徑，椎體矢徑確定椎間融合器的長度與寬度。設計的原則是使椎間融合器貼合解剖結構，達到更大的接觸面積，滿足力學強度，促進融合。對於雙枚椎間融合器，將其對稱植入於椎體後半部。對於單枚椎間融合器，將其斜植入椎體中心。
[0010]5)有限元網格劃分及平滑:採用基於體素的網格劃分方法對椎體進行網格劃分。首先將各部分的像素用不同的編碼表示；然後將上下層相鄰的8個像素作為節點連接成I個體素，去除冗餘的體素，將剩餘的體素作為一個八節點的六面體單元。在模型表面和不同材料界面處的單元的八個節點的像素編碼是不一樣的，此時採用鏡像剖分的方法把每個邊界六面體單元分解為5個四面體單元，然後通過移動這些四面體單元的節點來進行界面的平滑；為了減少計算量，對於材料一致的一些單元將根據需要進行合併。採用映射的方法將已有的椎間融合器模型庫中的標準椎間融合器模型的有限元網格映射到所設計的個性化椎間融合器上，實現椎間融合器的網格劃分。
[0011]6)材料的賦值及邊界條件設置:利用單元節點灰度計算出單元的彈性模量，設置模型皮質骨厚度和小關節摩擦係數，假設松質骨材料為各向同性，椎間融合器與椎體之間採用面-面接觸。下椎體的下終板所有自由度全部固定，選取上椎體的上終板中心點R，通過在R上施加向下壓力模擬椎體承重，施加轉矩模擬前屈、後伸、側彎、扭轉。通過上述步驟，完成植有椎間融合器的椎體有限元模型的建立。
[0012]7)有限元模型的求解及分析:採用體素有限元模型求解算法對椎體有限元模型進行求解，得到最大主應力，等效應力，下沉和位移，用來評價椎體及椎間融合器的應力分布情況及位移情況，從而確定設計是否合理。對於不合理的設計，返回到步驟4對設計進行修改，並最終實現既考慮幾何匹配又考慮功能匹配的個性化椎間融合器的設計。最終設計的個性化椎間融合器以STL格式輸出。
[0013]本發明個性化椎間融合器設計方法優點包括:
[0014]1、在設計中全面考慮幾何匹配及功能匹配，將個性化有限元分析技術引入到椎間融合器的設計中。
[0015]2、能夠可視化顯示椎骨形狀全面測量反應椎體結構特徵的參數如椎體橫狀徑，椎體矢狀徑，椎間隙高度等；
[0016]3、設計方法簡便，操作時間短，易於臨床推廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是根據本發明的一個實施例的個性化椎間融合器設計具體實施流程圖；
[0018]圖2是根據本發明的一個實施例的在椎體上終板平面進行參數測量示意圖；
[0019]圖3是根據本發明的一個實施例的在椎體正中矢狀平面進行參數測量示意圖；
[0020]圖4是本發明的雙枚椎間融合器植入位置示意圖；
[0021]圖5是本發明的單枚椎間融合器植入位置示意圖；
[0022]圖6是本發明的一個實施例的椎體網格劃分結果圖；
[0023]圖7是本發明的一個實施例所設計的個性化椎間融合器。
【具體實施方式】
[0024]如圖1所示，是根據本發明的一個實施例的個性化椎間融合器設計具體實施流程圖，包括以下步驟:
[0025]步驟101:圖像採集及預處理。
[0026]對椎骨進行螺旋CT掃描，獲取椎骨CT圖像。將獲取的椎骨的原始圖像數據導入軟體中並按照圖像的編號對圖像進行自動排序和判斷。然後對導入的CT圖像進行中值濾波、高斯濾波及二值化處理。
[0027]步驟102:椎體圖像分割及三維模型的建立。
[0028]首先在軟體水平面視圖區手動挑選一個初始片層來啟動分割過程，手工繪製初始片層的椎體大致輪廓，然後採用水平集方法經過迭代獲取初始片層的椎體精確輪廓。此後的分割過程將會以參考圖層為起點從上、下兩個方向對所有片層進行分割操作。由於椎體CT圖像相鄰片層目標的變化幅度較小，故可得用已處理片層的分割結果所得輪廓作為相鄰片層的初始輪廓，然後運用水平集方法獲取所有椎體的精確輪廓。最後，可採用手工方法對所獲取的輪廓進行修正。對於分割的結果，採用體繪製方法進行繪製，並在窗口中進行顯
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[0029]步驟103:椎體模型測量。
[0030]椎體矢狀徑和橫狀徑在椎體模型的上終板平面上進行獲取。採用軟體的剖切功能，剖切三維椎體模型，得到椎體上終板平面(圖2)。在終板平面上找到平分椎體模型成左右兩半的前-後軸L (圖2)，測量前-後軸L與椎體模型邊緣兩交點C、D (圖2)間的距離，該距離即為椎體的矢狀徑。測量與前-後軸L相垂直的直線與椎體模型邊緣兩交點間的距離，其中距離最大的兩點A、B(圖2)間的距離即為椎體橫狀徑。椎間隙的高度在椎體模型正中矢狀面(圖3)進行測量。在正中矢狀面上手動獲取椎體終板的前後邊緣點E、F、G、H(圖3)以及終板中心點1、J(圖3)。測量上下椎體終板前緣點F、H(圖3)的距離即為椎間隙前緣高度，兩椎體終板後緣點E、G(圖3)的距離即為椎間隙後緣高度，兩終板中心點
1、J(圖3)的距離即為椎間隙中心高度。
[0031]步驟104:椎間融合器的設計及植入。
[0032]在已有的椎間融合器模型庫中，根據椎體的上緣解剖形態(曲線，平臺)，選擇融合器的幾何形狀(弧度)，根據椎間隙高度確定椎間融合器的高度，根據椎體橫徑，椎體矢徑確定椎間融合器的長度與寬度。設計的原則是使椎間融合器貼合解剖結構，達到更大的接觸面積，滿足力學強度，促進融合。對於雙枚椎間融合器，將其對稱植入於椎體後半部(圖4)。首先將椎體邊緣內縮三分之一，獲得圖4所示的灰色區域，椎間融合器不能植入該部分。將一枚椎間融合器與點D(圖4)對齊，向右側移動，直至其與灰色區域接觸上，完成該枚椎間融合器的植入位置的確定，然後對稱地放置另一枚椎間融合器。對於單枚椎間融合器，將其斜植入椎體中心(圖5)。首先將椎間融合器長軸h方向與椎體矢狀徑成45度放置，將椎間融合器後緣與點D(圖5)重合，然後向一側平行移動椎間融合器，直到椎間融合器長軸h通過椎體中心0(圖5)，完成單枚椎間融合器的植入。
[0033]步驟105:有限元網格劃分及平滑。
[0034]採用基於體素的網格劃分方法對椎體進行網格劃分。首先將各部分的像素用不同的編碼表示；然後將上下層相鄰的8個像素作為節點連接成I個體素，去除冗餘的體素，將剩餘的體素作為一個八節點的六面體單元。在模型表面和不同材料界面處的單元的八個節點的像素編碼是不一樣的，此時採用鏡像剖分的方法把每個邊界六面體單元分解為5個四面體單元，然後通過移動這些四面體單元的節點來進行界面的平滑；為了減少計算量，對於材料一致的一些單元將根據需要進行合併。採用映射的方法將已有的椎間融合器模型庫中的標準椎間融合器模型的有限元網格映射到所設計的個性化椎間融合器上，實現椎間融合器的網格劃分。有限元網格劃分的一個結果實例如圖6所示。
[0035]步驟106:材料的賦值及邊界條件設置。
[0036]利用單元節點灰度計算出單元的彈性模量，設置模型皮質骨厚度和小關節摩擦係數，假設松質骨材料為各向同性，椎間融合器與椎體之間採用面-面接觸。下椎體的下終板所有自由度全部固定，選取上椎體的上終板中心點R，通過在R上施加向下壓力模擬椎體承重，施加轉矩模擬前屈、後伸、側彎、扭轉。通過上述步驟，完成植有椎間融合器的椎體有限元模型的建立。
[0037]步驟107:有限元模型的求解及分析。
[0038]採用體素有限元模型求解常用的算法EBE-PCG (element by elementprecon-dit1ned conjugate gradient)算法進行求解,得到最大主應力，等效應力，下沉和位移，用來評價椎體及椎間融合器的應力分布情況及位移情況，從而確定設計是否合理。對於不合理的設計，返回到步驟4對設計進行修改，並最終實現既考慮幾何匹配又考慮功能匹配的個性化椎間融合器的設計。最終設計的個性化椎間融合器以STL格式輸出(圖7)。
[0039]實施例個性化腰椎椎間融合器的設計
[0040]將L3-L4腰椎進行螺旋CT掃描，掃描參數:層厚0.63mm，層距0.63mm，球管電壓120kV，電流225mAs，解析度512*512pxl，得到150張腰椎CT圖像。將這150張CT數據導入軟體中進行中值濾波、高斯濾波及二值化處理。
[0041]首先在軟體水平面視圖區手動挑選一個具有椎體及椎弓的圖片作為初始片層來啟動分割過程，手工繪製初始片層的椎體大致輪廓，然後採用水平集方法經過迭代獲取初始片層的椎體精確輪廓。此後的分割過程將會以參考圖層為起點從上、下兩個方向對所有片層進行分割操作。
[0042]採用軟體的剖切功能，剖切三維椎體模型，得到椎體上終板平面(圖2)。在終板平面上找到平分椎體模型成左右兩半的前-後軸L (圖2)，測量前-後軸L與椎體模型邊緣兩交點C、D(圖2)間的距離，得到椎體矢狀徑。測量與前-後軸L相垂直的直線與椎體邊緣兩交點間的距離，其中距離最大的兩點A、B(圖2)間的距離即為椎體橫狀徑。在正中矢狀面上手動獲取椎體終板的前後邊緣點E、F、G、H(圖3)以及終板中心點1、J(圖3)。測量上下椎體終板前緣點F、H(圖3)的距離得到椎間隙前緣高度，兩椎體終板後緣點E、G(圖3)的距離得到椎間隙後緣高度，兩終板中心點1、J(圖3)的距離得到椎間隙中心高度。
[0043]選取JAGUAR?LUMBAR I/F CAGE (尺寸:高=9mm,寬=9mm,長=25mm,彈性模量:3600MPa，泊松比:0.25)作為參考模型，根據所測出的椎體橫狀徑來設計新的椎間融合器的長度，根據椎間隙高度來設置新的椎間融合器的高度。
[0044]將雙枚椎間融合器植入於椎體後半部。對模型進行網格劃分及平滑。設置小關節摩擦係數為0.1，假設松質骨材料為各向同性，椎間融合器與椎體之間採用面-面接觸。L4椎體的下終板所有自由度全部固定，選取L3椎體的上終板中心點R，通過在R上施加400N向下壓力模擬椎體承重，施加10N-m轉矩模擬前屈、後伸、側彎、扭轉。
[0045]採用體素有限元模型求解常用的算法EBE-PCG (element by elementprecon-dit1ned conjugate gradient)算法進行求解，得到最大主應力，等效應力，下沉和位移，用來評價椎體及椎間融合器的應力分布情況及位移情況，從而確定設計是否合理。對於不合理的設計，返回到步驟4對設計進行修改，並最終實現既考慮幾何匹配又考慮功能匹配的個性化椎間融合器的設計。最終設計的個性化椎間融合器以STL格式輸出(圖7)。
[0046]應當理解的是，在以上敘述和說明中對本發明所進行的描述只是說明而非限定性的，且在不脫離如所附權利要求書所限定的本發明的前提下，可以對上述實施例進行各種改變、變形、和/或修正。
[0047]附圖標號說明
[0048]101、圖像採集及預處理102、椎體圖像分割及三維模型的建立
[0049]103、椎體模型測量104、椎間融合器的設計及植入
[0050]105、有限元網格劃分及平滑106、材料的賦值及邊界條件設置
[0051]107、有限元模型的求解及分析。
【權利要求】
1.一種個性化椎間融合器模型的設計方法，其特徵在於包括以下步驟: 1)圖像採集及預處理:將椎骨進行螺旋CT掃描，然後將CT掃描儀獲取的椎骨原始數據進行圖像預處理，從而得到椎體圖像； 2)椎體圖像分割及三維模型的建立:通過自動或手動分割實現椎體圖像的分割，採用體繪製方法完成椎體三維模型的重建及顯示； 3)椎體三維模型測量:椎體的矢狀徑和橫狀徑在椎體三維模型的上終板平面上進行獲取，椎間隙的高度在椎體三維模型的正中矢狀面進行測量； 4)椎間融合器模型的設計及植入:在已有的椎間融合器模型庫中，根據椎體三維模型的上緣解剖形態，選擇融合器模型的幾何形狀，根據椎間隙高度確定椎間融合器模型的高度，根據椎體橫徑、椎體矢徑確定椎間融合器模型的長度與寬度，根據植入的椎間融合器模型的數量，將其植入到椎體三維模型的不同部位； 5)有限元網格劃分及平滑:分別對椎體三維模型及椎間融合器模型進行有限元網格劃分和平滑； 6)材料的賦值及邊界條件設置:設置椎體三維模型各部分的材料屬性及邊界條件，通過上述步驟，完成植有椎間融合器模型的椎體有限元模型的建立； 7)有限元模型的求解及分析:採用體素有限元模型求解算法對椎體有限元模型進行求解，求解結果用來評價椎體三維模型及椎間融合器模型的應力分布情況及位移情況，從而確定設計是否合理；對於不合理的設計，返回到步驟4)對設計進行修改，最終實現既考慮幾何匹配又考慮功能匹配的個性化椎間融合器模型的設計。
2.根據權利要求1所述的個性化椎間融合器模型的設計方法，其特徵在於，第I)步所述的圖像預處理包括中值濾波、高斯濾波及二值化處理。
3.根據權利要求1所述的個性化椎間融合器模型的設計方法，其特徵在於，第4)步所述椎間融合器模型植入部位的具體方式為:對於雙枚椎間融合器模型，將其對稱植入椎體三維模型後半部，對於單枚椎間融合器模型，將其斜植入椎體三維模型中心。
4.根據權利要求1所述的個性化椎間融合器模型的設計方法，其特徵在於，第5)步所述有限元網格劃分及平滑具體方式為:採用基於體素的網格劃分方法對椎體三維模型進行網格劃分及平滑，採用映射的方法對所設計的椎間融合器模型進行網格劃分。
5.根據權利要求1所述的個性化椎間融合器模型的設計方法，其特徵在於，第7)步所述求解結果具體包括最大主應力，等效應力，下沉和位移。
【文檔編號】G06F17/50GK104318009SQ201410558933
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】李淑宇, 蒲放, 梁航, 張明崢, 李德玉, 樊瑜波 申請人:北京航空航天大學