[发明专利]一种椎弓根钉棒改进和增加椎体填充物的有限元仿真分析方法

说明书

本发明提供了一种椎弓根钉棒改进和增加椎体填充物的有限元仿真分析方法，该方法包括：对正常人脊椎模型进行重建；对模型进行局部修改和优化；骨折椎体几何模型的建立；椎弓根钉的设计；螺母的设计；椎弓根棒的设计；椎体填充物的建立；椎弓根钉棒的装配；材料赋值；韧带建立；网格划分；接触对、边界条件及载荷的施加；正常椎模型的有效性验证；各固定方式的仿真分析。本发明基于人体椎体CT扫描图像，采用有限元软件预测椎体爆裂性骨折下椎弓根钉棒、骨折椎体的应力以及骨折椎体的变形，为临床医学在治疗该类病人采用何种椎体填充物、何种固定方式以及何种钉棒形状提供一种有限元分析方法。

技术领域

本发明涉及医学、机械设计、仿真分析领域，具体涉及应用于脊椎爆裂性骨折治疗中后路椎弓根钉棒改良和增加椎体填充物的仿真方法研究。

背景技术

椎体爆裂性骨折是脊椎骨折的常见类型，治疗方法最常采用后路椎弓根固定法，对骨折椎体进行固定和减压，目前对脊椎骨折常用的研究方法是有限元分析法，椎体爆裂性骨折是椎体的常见损伤类型，多由车祸和坠伤所致，临床表现为椎体压缩、前中柱破坏、后凸畸形及脊髓神经受压等症状，若未及时治疗可导致脊柱负重功能丧失，严重者可导致瘫痪。因此需要手术进行固定、复位,解除椎管内压迫,促进神经恢复和防止神经再损伤。

后路手术由于手术入路简单、创伤和并发症少、可直接探查修复骨折导致的硬脊膜撕裂伤及神经断裂等优点以及经后路复位椎管内骨折块等手术技术的发展，在临床上治疗爆裂性骨折得到广泛应用。其中经伤椎短节段、跨伤椎短节段、经伤椎长节段和跨伤椎长节段是后入路手术的常用固定方式。然而，尽管它是当今最流行的技术，但它也不是完全没有并发症(包括器械失效、邻近节段疾病和新的邻近椎骨骨折)。

有限元分析最早是在70多年前发展起来的，它在生物力学上的模拟最早可追溯到20世纪70年代末。之后在评估脊椎生物力学方面得到广泛应用。在多向载荷条件下，使用有限元法对后路器械和脊柱进行分析，用于检查器械和椎体的运动学，以及后路脊柱器械中的应力，不仅有助于确定器械可能发生故障的位置，还有助于确定脊柱的方向稳定性。

基于有限元法的明显优势，本研究采用有限元分析法对各固定方式进行仿真分析。但是，传统的椎弓根钉棒固定方式钉棒接触面小易导致应力集中，没有椎体填充物进行支撑增大了骨折椎体所受应力，大大减少各固定方式的稳定性。本发明改进了椎弓根钉棒的接触方式，为骨折椎体进行内部填充，减少了椎体和椎弓根钉棒的应力，提高了椎弓根钉棒的固定方式的稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对后路椎弓根钉棒接触部位应力集中问题，而提供了一种减少各固定方式椎弓根钉棒及骨折椎体的应力的钉棒模型及填充物材料的有限元方法。本发明的目的是这样实现的：包括如下步骤：

步骤1：对正常人脊椎模型进行重建；

步骤2：对模型进行局部修改和优化；

步骤3：骨折椎体几何模型的建立；

步骤4：椎弓根钉的设计；

步骤5：螺母的设计；

步骤6：椎弓根棒的设计；

步骤7：椎体填充物的建立；

步骤8：椎弓根钉棒的装配；

步骤9：材料赋值；

步骤10：韧带建立；

步骤11：网格划分；

步骤12：接触对、边界条件及载荷的施加；

步骤13：正常椎模型的有效性验证。

步骤14：各固定方式的仿真分析。

步骤4具体为：将钉与棒的接触面设为弧形面，一方面增加钉棒接触面，另一方面减小前屈运动的应力，如图1所示。