一种个体化钽金属颈椎椎间融合器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种个体化钽金属颈椎椎间融合器及其设计方法，涉及脊椎骨植入物技术领域，目的是提供有利于骨生长和骨融合的个体化钽金属颈椎椎间融合器，以及一种高度匹配个体化人体力学特性的颈椎椎间融合器的设计方法。本发明专利技术的主要技术方案为：个体化钽金属颈椎椎间融合器，包括：上融合面为向上凸起的拱形面体，下融合面为向下凸起的拱形面体，拱形面体边缘的厚度大于拱形面体中心的厚度，拱形面体的边缘，拱形面体的四周区域环形均匀分布有多个通孔，拱形面体的中部区域设有中心孔和环绕于中心孔的多个条形孔，周侧壁设有多个植骨侧孔；点阵结构均布于上融合面的内侧面、下融合面的内侧面和周侧壁的内侧面。面的内侧面和周侧壁的内侧面。面的内侧面和周侧壁的内侧面。

【技术实现步骤摘要】
一种个体化钽金属颈椎椎间融合器及其设计方法


[0001]本专利技术涉及脊椎骨植入物
，尤其涉及一种个体化钽金属颈椎椎间融合器及其设计方法。

技术介绍

[0002]颈椎椎间融合器是用来治疗颈椎退行性病变、脊柱外伤等脊柱疾病的一种常用人体植入物，在术中将其放置于取出椎间盘后的脊椎间隙中，能够起到恢复椎间正常高度、纠正脊柱病理畸形、促进上下椎体骨性融合的作用。
[0003]目前，常用颈椎椎间融合器的类型可分为金属型和非金属型这两大类，这两大类型的椎间融合器各有优点。金属型颈椎椎间融合器发展比较成熟的是以钛合金为材料的椎间融合器，其优点是具有良好的力学稳定性，但金属型颈椎椎间融合器普遍存在弹性模量过高，与正常骨组织不匹配而在植入椎间隙后易产生严重的应力遮蔽效应，容易发生融合器沉降、移位或椎体骨折等问题。另外钛合金生物活性差，不能与骨界面发生骨融合。非金属类椎间融合器的代表是以聚醚醚酮为材料的椎间融合器，其具有可透X线、弹性模量接近于骨组织等优点，但是聚醚醚酮为生物惰性材料，植入人体后融合器逐渐被纤维组织包裹，而无法与骨界面融合，导致在植入后期容易因融合器微动而引发沉降或位移。
[0004]申请号CN201710000029.3公开了一种多孔钛椎间融合器，该融合器由支撑结构和孔隙结构两部分组成，相互呈一体状固定连接在一起，支撑部分用于承担载荷，孔隙部分用于引导新骨长入，支撑结构仅占融合器总体积的10％，虽然提供了更大的骨生长空间，但是未预留植骨空间。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种个体化钽金属颈椎椎间融合器及其设计方法，主要目的是提供一种有利于骨生长和骨融合的钽金属颈椎椎间融合器，以及一种高度匹配个体化人体力学特性的钽金属颈椎椎间融合器的设计方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术主要提供如下技术方案：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种个体化钽金属颈椎椎间融合器，其包括：壳体部和点阵结构；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]本专利技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
[0011]可选的，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。
[0012]可选的，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。
[0013]可选的，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。
[0014]可选的，所述孔洞的孔径为400微米。
[0015]可选的，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。
[0016]另一方面，本专利技术还提供一种个体化钽金属颈椎椎间融合器的设计方法，其包括如下步骤：
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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：
[0022]1)输入C3D文件到input文件夹下并更改C3D文件名为C3D(P)；
[0023]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；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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Altair Inspire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；
[0027]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；
[0028]步骤八，内固定系统的整合后有限元分析与设计：
[0029]1)在三维CAD绘图软件中绘制接骨板系统模型；
[0030]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；
[0031]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；
[0032]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。
[0033]借由上述技术方案，本专利技术至少具有下列优点：
[0034]医生对患者进行手术时，可以将患者的自体骨植骨碎片或其他生物材料颗粒自多个植骨侧孔填充入壳体部的内部空间；
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕勇，乌日开西，
申请(专利权)人：中国人民解放军新疆军区总医院，
类型：发明
国别省市：