(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210722113.7 (22)申请日 2022.06.24 (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301号 (72)发明人 殷志俊　许江平　谢炎秋　 (74)专利代理 机构 南京智造力知识产权代理有 限公司 32382 专利代理师 胡德水 (51)Int.Cl. A61B 34/10(2016.01) A61B 17/70(2006.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 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。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115120342 A 2022.09.30 CN 115120342 A 1.一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， 其特征在于： 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。 2.根据权利要求1所述的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， 其特征在于： 步骤1的具体过程为： 在Mimics中打开椎体CT的DICOM格式文件， 新建一个 图层,灰度值选择 “Bone(CT) ”， 运用“Edit Masks”中的“Erase”功能擦除所需节段与其他部 位接触的部分， 并运用 “Region Growing”功能独立出该节椎体； “Edit Masks”中的“Draw” 功能可将椎体每一层的边界补充完整， 接着用 “Cavity Fill”填充各层的孔洞， 最后用 “Calculate  3D”功能分别将各节椎体图层生成三维模型并导出STL格式文件。 3.根据权利要求1所述的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， 其特征在于： 步骤3的具体过程为： 在Geomagic中分别导入各节椎体 stl格式文件， 用 “显 示”里的“视图剪裁 ”判断出相邻椎体是否有干涉， 运用 “雕刻刀”和“偏移”命令给关节软骨 留出空间； 复制各节椎体， 点击 “选择贯通 ”将椎体的后部结构去除， 并用 “填充单个孔”将孔 用平面填充， 然后用 “偏移”将表面向内偏移1mm构建松质骨， 也使 得皮质骨厚度为 1mm， 且皮 质骨与松质骨紧密贴合； 运用 “减少噪音 ”、“松弛”、“删除钉状物 ”、“填充孔”、“去除特征 ”和 “细化”等命令修饰各节椎体及松质骨表面形貌； 然后用 “网格医生 ”检查， 最后采用 “精确曲 面”、“探测轮廓线 ”、“构造曲面片 ”、“修理曲面片 ”、“构造格栅 ”和“拟合曲面 ”等命令导出各 节椎体和松质骨的stp格式文件； 将各节椎体和松质骨导入SolidWorks中， 并绘制关节软 骨、 软骨终板、 纤维环、 髓核和后部结构， 其中软骨终板厚度为1mm， 与椎体上下表面紧密贴 合。 椎间盘由纤维环和髓核组成， 髓核占椎间盘 体积的30％～40％。 4.根据权利要求1所述的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， 其特征在于： 步骤4的具体过程为： 在SolidWorks中将钉内部圆柱凹槽变为弧形凹槽使 钉与棒接触部分从线接触改为面接触， 增大接触面， 减小应力集中， 最后在Ansys   Workbench中验证。 5.根据权利要求1所述的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， 其特征在于： 步骤5的主要过程为： 为了扩大棒与螺母的接触面积在SolidWorks中将螺权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115120342 A 2母一面加弧形凹槽增大接触面， 从点接触变为面接触减小应力集中， 最后在Ansys   Workbench中验证。 6.根据权利要求1所述的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， 其特征在于： 步骤6中： 脊柱六种生理运动中前屈运动的活动度最大， 钉棒所 受应力也最 大， 在SolidWorks中将棒变为椭圆柱棒， 并在Ansys  Workbench中验证。 7.根据权利要求1所述的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， 其特征在于： 所述步骤8的具体过程为： 需要在SolidWorks中导入骨折椎、 椎弓根钉棒， 将椎弓根钉及螺母约束在椎弓根棒上， 调整椎弓根棒和椎弓根钉的位置， 确保椎弓根钉从 椎弓根穿入椎体， 并运用 “干涉检查 ”确保钉未干涉， 也没有从椎体内露出， 装配完之后导出 装配体的SLDPRT文件， 打开之后， 运用 “移动/复制实体 ”命令复制两个份椎弓根钉， 并运用 “组合”命令去除椎弓根钉与皮质骨和松质骨的干涉， 形成装配好的骨折模型， 并到处x_t格 式文件。 8.根据权利要求1所述的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， 其特征在于： 步骤7和步骤9中， 在Ansys  Workbench中测试几种不同材料椎体填充物材 料， 增加骨折椎体填充物可减少骨折椎体活动度， 减小骨折椎体及椎弓根钉棒的应力。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115120342 A 3