[发明专利]一种个体化钽金属颈椎椎间融合器及其设计方法

权利要求书

1.一种个体化钽金属颈椎椎间融合器，其特征在于，包括：

壳体部，所述壳体部包括上融合面、下融合面和周侧壁，所述上融合面为与上位椎体的下表面形状相匹配的、向上凸起的拱形面体，所述下融合面为与下位椎体的上表面形状相匹配的、向下凸起的拱形面体，所述拱形面体边缘的厚度大于所述拱形面体中心的厚度，所述拱形面体的四周区域环形均布有多个通孔，所述拱形面体的中部区域设有中心孔和环绕于所述中心孔的多个条形孔，所述周侧壁设有多个植骨侧孔；

点阵机构，所述点阵结构均布于所述上融合面的内侧面、所述下融合面的内侧面和所述周侧壁的内侧面。

2.根据权利要求1所述的个体化钽金属颈椎椎间融合器，其特征在于，

所述植骨侧孔包括第一植骨侧孔和第二植骨侧孔，所述第一植骨侧孔位于所述周侧壁的前侧面，所述第二植骨侧孔位于所述周侧壁的左侧面和右侧面。

3.根据权利要求1所述的个体化钽金属颈椎椎间融合器，其特征在于，

所述上融合面的外侧面和所述下融合面的外侧面分别矩阵排布有多个棱尖体。

4.根据权利要求1所述的个体化钽金属颈椎椎间融合器，其特征在于，

所述点阵结构呈网格状，用于在所述上融合面的内侧面、所述下融合面的内侧面和所述周侧壁的内侧面形成孔洞。

5.根据权利要求1所述的个体化钽金属颈椎椎间融合器，其特征在于，

所述孔洞的孔径为400微米。

6.根据权利要求1至5任一项所述的个体化钽金属颈椎椎间融合器，其特征在于，

所述上融合面、所述下融合面、所述周侧壁和所述点阵结构均采用金属钽材质制备。

7.一种个体化钽金属颈椎椎间融合器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，原始数据采集：利用CT扫描患者患处周围的脊柱组织，扫描层厚小于1mm，将扫描得到的数据以DICOM格式输出；

步骤二，患者椎体三维模型重建：将所得到的DICOM格式文件导入到医学图像处理软件中，提取阈值范围在226～3070间的CT数据，修复、分割、构建出病变椎间盘及其邻近椎体的三维模型，导出STL格式模型；

步骤三，STL模型修复：将STL格式的椎体模型导入到逆向工程软件，对模型进行诊断和修复，保存成STEP格式，得到取出病变椎间盘的相邻椎体模型；

步骤四，钽金属颈椎椎间融合器几何形状的个体化设计：将STEP格式文件导入到三维CAD软件中，将拟植入的钽金属颈椎椎间融合器的上、下融合面所贴合的椎体终板轮廓通过布尔运算，得到钽金属颈椎椎间融合器的上、下融合表面形状，钽金属颈椎椎间融合器的周侧壁高度由术前患者CT扫描数据和矫形需要个体化设计得到，原格式保存所得到的钽金属颈椎椎间融合器初期模型；

步骤五，生物力学数据的获取：在C3D数据库中找到与患者身高、体重相近的C3D文件。将C3D文件导入到anybody人体建模仿真分析软件中，进行逆向动力学仿真。具体步骤为：

1)输入C3D文件到input文件夹下并更改C3D文件名为C3D(P)；

2)设置人体身高、体重等参数，将人体姿态调节到与C3D(P)数据方向一致；

3)设置模型中的mark点与C3D(P)数据中的标志点相拟合，进行运动与参数最优化运算，获得包含运动参数、标志点位置、动作信息的txt文件；

4)将上述得到的txt文件进行逆动力学仿真，得到所需脊椎部位的关节力、肌肉力等数据；

步骤六，钽金属颈椎椎间融合器模型的拓扑优化：将步骤四中得到的钽金属颈椎椎间融合器初期模型导入到AltairInspire中，并导入步骤三中得到的取出病变椎间盘的相邻椎体模型，将钽金属颈椎椎间融合器的初期模型与相邻的椎体模型进行装配。将步骤五中得到的关节力作为拓扑优化过程中施加的载荷，在保证刚度的前提下减小钽金属颈椎椎间融合器初期模型的实体体积，实体体积占总体积的10％～20％，进行拓扑优化，得到钽金属颈椎椎间融合器中期模型；

步骤七，钽金属颈椎椎间融合器内部点阵结构设计:利用三维CAD绘图软件进行点阵结构的设计，将步骤六得到的钽金属颈椎椎间融合器中期模型的内部进行点阵结构设计，得到钽金属颈椎椎间融合器后期模型；

步骤八，内固定系统的整合后有限元分析与设计：

1)在三维CAD绘图软件中绘制接骨板系统模型；

2)将接骨板系统模型、步骤三中所得的相邻椎体模型、钽金属颈椎椎间融合器后期模型三者装配在一起，力学边界条件根据步骤五所得到的关节力设置；

根据有限元分析结果优化点阵结构的密度，通过改变点阵的密度可以改变局部的刚度和屈服强度，通过调整合适的点阵密度使得与人体脊椎的弹性模量相匹配，得到钽金属颈椎椎间融合器终期模型；

步骤九，钽金属颈椎椎间融合器3D打印制备：将钽金属颈椎椎间融合器终期模型导入到SLM打印机中进行打印和后处理，消毒灭菌后用于临床应用。