[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

权利要求书

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AnsysWorkbench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AnsysWorkbench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。