[发明专利]一种胸腰椎爆裂性骨折仿真模型建立方法及装置

说明书

本发明涉及一种胸腰椎爆裂性骨折仿真模型建立方法及装置。所述方法为：健康成人胸腰椎CT扫描，建立实体模型，导入Hypermesh，在第一腰椎上分割骨折块，对骨折块及其他骨组织进行网格划分，进一步划分椎间盘为纤维环和髓核，添加韧带，再对骨折块和周边骨组织设定边界条件，组装获得胸腰椎爆裂性骨折三维有限元模型，最后导入Abaqus，设定材料属性、载荷、边界条件等。所述装置包括相关单元，用于建立所述胸腰椎爆裂性骨折仿真模型。本发明建立的模型包括了椎骨、椎间盘、韧带、小关节等结构，符合胸腰椎的解剖结构，骨折块模型几何特性设定合理，与周围椎骨紧密组合，因此仿真性更高。

技术领域

本发明涉及计算机辅助技术及脊柱外科治疗领域，更具体地说，涉及一种胸腰椎爆裂性骨折仿真模型建立方法及装置。

背景技术

胸腰椎爆裂性骨折是脊柱外科常见的损伤性疾病，约占所有脊柱骨折的50％左右，常见于车祸及高处坠落等高能量损伤，患者常合并后凸畸形及骨折块突入椎管，压迫神经根和马尾，造成脊髓神经功能损伤。患者可出现不同程度的感觉障碍和运动功能丧失，更严重的会导致瘫痪，极大的影响了患者的身体和心理健康。解除骨折占位，恢复椎管容积，减轻脊髓压迫获得了外科医生的广泛共识。

随着医疗技术的发展和医疗器械的改善，经椎弓根伤椎置钉治疗胸腰椎爆裂性骨折得到了广泛关注和应用，并取得了良好的临床效果。与保守治疗和直接复位相比，经椎弓根伤椎置钉复位骨折，避免了骨折块复位不完全、出血量大损伤严重等问题，具有独特的优势。

目前对胸腰椎爆裂性骨折复位的生物力学研究主要通过动物脊柱、人的尸体脊柱等的体外实验实现。选取胸腰椎节段，模拟暴力打击脊柱，获得胸腰椎爆裂性骨折模型，从而进行力学分析和手术入路研究，其优点是：能直接、精确测量脊柱各节段的运动，同时可直接观察到脊柱的生理病理变化和组织形态学改变。缺点是：实验方法较为昂贵，标本难以获取、各标本之间存在一定差异性，可重复性差，同时，对于标本受力的测取，主要集中在皮质表面，对于内部的应力和应变，则明显受限。有限元法的优势则在于可以模拟各种复杂工况，通过参数设计，可无限次重复实验。因此，可利用有限元法与体外实验相结合，相互支持补充，以期可以更好的研究胸腰椎爆裂性骨折及相关手术治疗方法。

2016年第三军医大学硕士学位论文“横连接在胸腰椎骨折椎弓根螺钉固定中作用的有限元分析及临床研究”，利用64排CT对志愿者T9-L3节段进行扫描，得到的图像以DICOM格式保存。然后用Mimics软件读取已保存的DICOM图像。根据骨与软组织具有不同灰度值的原理，进一步阈值化及擦除操作处理目标图像，然后剔除骨质旁软组织图像，利用mask的编辑功能填充椎间盘，得到目标节段的几何模型。最后利用Rapidform软件对得到的几何模型进行光滑处理。再利用Truss单元模拟前、后纵韧带、黄韧带、关节囊，棘间及棘上韧带等，将上述模型导入Abaqus6.9.1软件中进行组合得到正常胸腰椎(T9-L3)的有限元模型。然后利用布尔运算法模拟T12椎体前方压缩1/2高度，椎间盘、椎体后方骨性结构及后方韧带复合体均完整，最终建立了T12椎体爆裂骨折的有限元模型。

期刊《中国矫形外科杂志》2015年第23卷第10期，刊出的论文“胸腰椎爆裂性骨折短节段伤椎固定三维有限元模型构建及生物力学比较研究”，建立了胸腰椎爆裂性骨折后路不同固定方式的尸体标本和三维有限元模型，具体取1具尸体为正常胸腰椎模型，用螺旋CT以层厚2mm(0.6mm居多)连续扫描获得横断面图像，Dicom格式导入Mimics软件，得到标本的三维信息图。手动完成T11-L3椎体模型后，在Mimics的FEA模块中对模型进行网格划分，得到较为满意的三维图像后导入Ansys12.0软件中。然后对各单元进行赋值，包括弹性模量、泊松比等材料常数及特征值。整个模型共有结点675个，不同类型单元860个。