一种建立脊柱上胸段的生物力学模型方法技术

本发明专利技术公开了一种建立脊柱上胸段的生物力学模型方法，涉及人体脊柱上胸段生物力学研究技术领域，其技术方案要点是：包括以下步骤：S1：建立脊柱上胸段三维有限元模型；S2：建立上胸椎前路内固定模型与上胸椎后路内固定模型。本发明专利技术建立一个真正解剖意义上的脊柱上胸段生物力学模型，将当前使用的上胸椎前路内固定系统与后路内固定系统进行生物力学比较，得出有关上述内固定准确的生物力学方面的定性和定量结论，为临床手术方式的选择提供理论依据，填补脊柱上胸段三维有限元模型生物力学研究领域的空白。究领域的空白。究领域的空白。

【技术实现步骤摘要】
一种建立脊柱上胸段的生物力学模型方法


[0001]本专利技术涉及人体脊柱上胸段生物力学研究
，更具体地说，它涉及一种建立脊柱上胸段的生物力学模型方法。

技术介绍

[0002]人体脊柱上胸段(T1－T4)是颈胸交界与胸椎延续的一个重要结构汇合区域，解剖结构复杂，有重要神经、血管、淋巴管纵横交错。上胸椎是从活动相对灵活、生理前凸的颈椎向活动相对固定、生理后凸的胸椎的延续区域，是应力比较集中、解剖学上的薄弱区。来自头颈部的应力主要是通过上胸椎椎体向下传导。Sundaresan报道大约有15％的脊椎肿瘤发生在上胸椎；Morgan报道大约有6％的椎间盘突出发生在上胸椎，大约有5％的脊柱结核发生在上胸椎。倘若肿瘤、感染、退变等疾病累及上胸椎时，常有椎体前方塌陷、脊髓受压、后凸畸形逐渐加重的自然趋势。因此对于肿瘤、结核等累及椎体和脊髓的病变，手术减压重建尤为重要。当今各种上胸椎内固定手术方式不断出现，为了解上胸椎疾病的发病机制，探讨有效的手术治疗方法，对上胸椎进行生物力学研究具有重要意义。
[0003]生物力学研究方法主要有两种：一是实验生物力学，二是理论生物力学研究，有限元法就属于理论力学研究。实验生物力学虽能通过直接测量得到研究对象的应力分布，但离体与在体情况差异较大，条件难以控制，也忽略了生物材料的各向异性、粘弹性等特性，且其费用高。与实验生物力学相比，理论生物力学研究可根据需要产生无数个各种各样的标本，对模型进行实验条件仿真，模拟拉伸、弯曲、扭转等各种力学实验，可以在不同实验条件下模拟任意部位变形、应力/应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等情况，标本也可以进行修正以模拟任何病理状态。同一个标本在虚拟计算中可进行无数次加载或组合而不会被损坏。其结果不受实验条件的影响，也排除了实验条件造成的误差，而且可以重复计算，节约成本。其中很多数据是其他试验方法无法得到的。
[0004]纵观目前脊柱固定器的生物力学研究，其方法大致可分为三类：
①
固定器强度试验，即将器械单独作为试件或与脊柱标本结合进行试验。由于实验有破坏性，每个标本只能测试一个固定器，使每次实验数据存在明显的差异。
②
固定器疲劳试验，在几种不同载荷下试验便可得到该器械的疲劳曲线。这类试验也属破坏性试验，所以只能选择少数几种载荷类型进行试验。
③
固定器稳定性试验，属非破坏性试验，是Panjabi开创的新型脊柱生物力学试验。固定器与脊柱损伤模型结合构成试件并对其施加各种“生理”载荷。因此不对试件造成任何永久性损伤。其结果能全面和客观地反映固定部位的生物力学环境。
[0005]随着交通的发展及各项运动项目的推广，上胸椎骨折的发生率逐年增高。由于上胸椎椎体较中下胸椎小，在发生碰撞时，上胸椎易骨折导致上胸椎不稳后易累及脊髓，出现肢体麻木、无力、胸闷等神经症状，严重时可导致瘫痪甚至猝死，因此上胸椎骨折已引起临床医生及基础研究人员的广泛重视。上胸椎骨折引发椎体失稳，临床上多行手术治疗，进行上胸椎前路内固定或者后路内固定以恢复其稳定性。然而在临床工作中，存在着对疾病的最佳手术方案的选择问题，手术后不能给患者提供最佳的生物力学固定。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决上述问题，提供一种建立脊柱上胸段的生物力学模型方法，建立一个真正解剖意义上的脊柱上胸段生物力学模型，将当前使用的上胸椎前路内固定系统与后路内固定系统进行生物力学比较，得出有关上述内固定准确的生物力学方面的定性和定量结论，为临床手术方式的选择提供理论依据，填补脊柱上胸段三维有限元模型生物力学研究领域的空白。
[0007]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种建立脊柱上胸段的生物力学模型方法，包括以下步骤：
[0008]S1：建立脊柱上胸段三维有限元模型；
[0009]S2：建立上胸椎前路内固定模型与上胸椎后路内固定模型。
[0010]本专利技术进一步设置为：所述S1具体包括以下步骤：
[0011]S11：螺旋CT扫描：采用螺旋CT对己经选定的志愿者进行螺旋扫描及断层图像处理；
[0012]S12：CT图像处理及保存：在CT工作站中，对S1中的图像观察细节进行处理，保存清晰的骨窗断层图像；
[0013]S13：CT图像处理及上胸段三维图像的重建：将S2保存的图像数据导入三维重建软件筛选，选取合适的图像，界定目标图像的阈值，根据已选取的CT图片中不同组织的灰度值，通过阈值来提取相应的组织，逐层去除骨骼周围软组织图像，重建出脊柱上胸段的三维图像；
[0014]S14：建立上胸椎三维实体模型：把S3中生成的三维图像数据导入三维重建软件生成上胸椎三维实体模型，对模型进行光滑处理，生成光滑和几何高度近似的模型；
[0015]S15：对上胸椎三维实体模型进行面网格划分：把生成的上胸椎三维实体模型导入三维重建软件，进行网格划分后导出面网格文件；
[0016]S16：上胸椎三维模型的前处理：将S5得到的面网格文件导入前处理软件进行体网格划分，生成L1
‑
L4的三维四面体单元；
[0017]S17：上胸椎椎间盘的建模：在已有的L1
‑
L4的四面体单元的基础上生成椎间盘和终板模型；
[0018]S18：对建立好的有限元模型进行分割：分割出皮质骨、松质骨、椎体后部、终板、椎间盘纤维环基质和髓核；
[0019]S19：关节突关节的建模：关节软骨层的表面接触选用面
‑
面接触单元模拟，关节囊使用三维杆单元模拟；
[0020]S110：上胸椎周围韧带的建模：按解剖学上各韧带的起止点赋予其解剖学参数，有限元模型包含的前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带以及黄韧带和关节囊韧带均采用三维杆单元模拟；
[0021]S111：赋予各结构材料学参数：对整个上胸椎有限元模型单元材料相关属性进行设定，并导入有限元模型构建软件中，构建与实际模型在材料参数和力学行为上相吻合的三维有限元模型。
[0022]本专利技术进一步设置为：所述S17中的椎间盘采用六面体单元划分，椎间盘髓核被模拟为不可压缩的流体单元，髓核的体积占椎间盘体积的50％；椎间盘纤维环由基质与埋在
基质中的胶原纤维所构成的混合体表示，基质由3层连续性环状体构成，纤维环纤维由只承受张应力的Rebar单元构建,纤维体积占纤维环总体积的19％，各层纤维的横截面积自外向内逐渐减小，椎间盘的上下表面由1.0mm厚的软骨终板构成。
[0023]本专利技术进一步设置为：所述S3中所述前路内固定模型包括：上胸椎前路钢板内固定结合钛笼模型和上胸椎前路钢板内固定模型，建立所述上胸椎前路钢板内固定结合钛笼模型、所述上胸椎前路钢板内固定模型和所述上胸椎后路内固定模型的具体步骤如下：
[0024]S31：建立固定器械模型；
[0025]S32：将S31建立的模型和S1中已经建成的上胸椎有限元模型同时导入三维重建软件中，建立有限元模型；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种建立脊柱上胸段的生物力学模型方法，其特征是：包括如下步骤：S1：建立脊柱上胸段三维有限元模型；S2：建立上胸椎前路内固定模型与上胸椎后路内固定模型。2.根据权利要求1所述的一种建立脊柱上胸段的生物力学模型方法，其特征是：所述S1具体包括以下步骤：S11：螺旋CT扫描：采用螺旋CT对己经选定的志愿者进行螺旋扫描及断层图像处理；S12：CT图像处理及保存：在CT工作站中，对S1中的图像观察细节进行处理，保存清晰的骨窗断层图像；S13：CT图像处理及上胸段三维图像的重建：将S2保存的图像数据导入三维重建软件筛选，选取合适的图像，界定目标图像的阈值，根据已选取的CT图片中不同组织的灰度值，通过阈值来提取相应的组织，逐层去除骨骼周围软组织图像，重建出脊柱上胸段的三维图像；S14：建立上胸椎三维实体模型：把S3中生成的三维图像数据导入三维重建软件生成上胸椎三维实体模型，对模型进行光滑处理，生成光滑和几何高度近似的模型；S15：对上胸椎三维实体模型进行面网格划分：把生成的上胸椎三维实体模型导入三维重建软件，进行网格划分后导出面网格文件；S16：上胸椎三维模型的前处理：将S5得到的面网格文件导入前处理软件进行体网格划分，生成L1
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L4的三维四面体单元；S17：上胸椎椎间盘的建模：在已有的L1
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L4的四面体单元的基础上生成椎间盘和终板模型；S18：对建立好的有限元模型进行分割：分割出皮质骨、松质骨、椎体后部、终板、椎间盘纤维环基质和髓核；S19：关节突关节的建模：关节软骨层的表面接触选用面
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面接触单元模拟，关节囊使用三维杆单元模拟；S110：上胸椎周围韧带的建模...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹东，熊春翔，梁斌，谢佩耕，
申请(专利权)人：广西壮族自治区人民医院，
类型：发明
国别省市：