新型人工腰椎间盘置换的三维有限元模型

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.30.010

摘要/Abstract

摘要：

背景：随着对腰椎生物力学研究的不断深入，相关非融合及动力内固定装置的不断完善和改进，以人工椎间盘置换为代表的脊柱非融合技术的出现给了脊柱外科医师新的选择，因此，设计合理的人工椎间盘显得尤为重要。
目的：建立腰椎运动节段新型人工椎间盘置换的有限元模型，用于进一步的生物力学研究。
方法：选取1名健康男性志愿者 L₃-L₄薄层 CT 扫描图像，结合人体解剖学数据，通过医学图像软件Mimics和工具软件 Geomagic Studio，应用逆向工程技术重建腰椎模型。结合硅胶人工椎间盘的三维模型，用有限元分析软件 ANSYS12.0 转换成有限元模型。
结果与结论：通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法，成功建立腰椎运动节段的三维模型和人工椎间盘置换的有限元模型。该有限元模型共有691 085个单元，1 008 913个节点，可以施加约束和载荷，用于脊柱生物力学及新型人工椎间盘的进一步研究。

关键词: 骨关节植入物, 数字化骨科, 人工椎间盘, CT, 逆向工程技术, 有限元, 生物力学, 医用硅胶

Abstract:

BACKGROUND: As lumbar spine biomechanics research is unceasingly thorough and the constant development of related fusion and dynamic fixation device, the spine fusion technique which is represented by artificial disc replacement is a new choice to the spine surgeons. Therefore, it is particularly important to design reasonable artificial intervertebral disc.
OBJECTIVE: To establish the finite element model of the new artificial disc replacement of the lumbar motion segment for further biomechanical study.
METHODS: The L_3-4 thin-section CT images of a healthy male volunteer was selected, combined with human anatomy data and applied the reverse engineering technology to rebuild the lumbar spine model with medical image software Mimics and tool software Geomagic Studio. The three-dimensional model of the silicone artificial disc was converted into a finite element model through software ANSYS12.0.
RESULTS AND CONCLUSION: Through CT scanning, digital image processing and computer-aided design, the three-dimensional model of the lumbar motion segment and the finite element model of artificial disc replacement were successfully established. The finite element model contained 691 085 units and 1 008 913 nodes which could be applied constraint and load and could be used for spinal biomechanics and the further research of the new artificial intervertebral disc.

Key words: bone and joint implants, digital orthopedics, artificial prosthesis, CT, reverse engineering technology, finite element, biomechanics, medical silicone

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 2

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引言

材料方法

设计：观察性实验。

时间及地点：实验于2012年8至12月在天津市第四中心医院骨科研究室完成。

材料：

电脑配置：i3-2100+中央处理器，3 G内存，AMD Radeon HD 6700 Series显卡，1 G显存，Windows XP/Professional操作系统。

仪器及软件：

方法：

腰椎CT扫描：选择1名健康男性志愿者，年龄24岁，身高165 cm，体质量55 kg，先行X射线检查以排除损伤、退变等病理变化，然后采用螺旋CT对志愿者L₃椎体上缘至L₄椎体下缘沿横断面连续扫描，CT具有优良的高分辨率扫描功能，并有先进的图像后处理功能和照相输出功能，实验者取仰卧位，扫描条件：选择骨组织窗，电压120 kV，层距0.75 mm，扫描数据以Dicom3.0标准直接存储。

人工椎间盘实体模型的建立：根据人工椎间盘的工业设计制造图，利用三维软件Pro/ENGINEER Wildfire 5.0强大的建模功能建立了人工椎间盘的三维实体模型(上、下人工盖板和一个人工髓核)，人工髓核采用与人体组织和体液具有优异相容性的医用硅胶，人工盖板采用国产钛合金(符合ISO-5832-1994医用生物嵌入体材料标准)，依据椎骨的实际形态进行设计，使其置换时能和上下椎骨的表面充分吻合，在不影响力学性能的前提下，对人工盖板周边部分(与椎体固定部分)作了删除，实体模型见图1。

腰椎模型的建立：采用医学图像软件Mimics10.01^[4]直接读取Dicom格式CT断层图像，利用此软件无需对图像进行任何形式的转化，避免了信息的丢失，显著减少了工作量。经过图像定位，组织图片，将CT扫描图像输入到Mimics中。为了提取准确的椎骨轮廓线，通过内插值处理，界定“阈值”的范围215-3 071 Hounsfield单位，使得骨骼部分与其他组织的区别最大化。软件自动生成各层面骨组织窗轮廓线，对于局部灰度值相近的区域采用人工识别的方式进行提取，经过区域增长对不同区域进行分割，每个区域对应不同的颜色，利用区域增长在所用CT断层图像中分割出骨组织。利用Mimics中编辑蒙板和多段线编辑命令将腰椎各节段进行划分并填充，去除无关结构及噪点、添充空洞、去除伪阴影等冗繁数据，最后通过三维计算功能构建出整个椎骨结构的三维形态，利用Mimics所包含的CAE模块，对模型进行光滑处理，得到更加真实和圆滑的腰椎模型，见图2。

实体模型的建立：由于椎体模型的曲面十分复杂，都是由大量的自由曲面构成，且曲率变化较大，所以需要将Mimics中腰椎三维模型以点云格式导入逆向工程软件Geomagic Studio10.0^[5]之中，进行模型成体处理。在其中模型经历点阶段、多边形阶段、曲面化阶段等3个处理阶段。点云处理主要包括：去除无关点、去除噪声、统一采样和封装4项，干净的点云自动形成三角面片进入多边形阶段。在多边形阶段，对模型进行简化，使用“松弛”和“砂纸”两个功能对模型进行打磨并光滑曲面片。在曲面化阶段，对模型进行曲面处理，生成NURBS曲面，构建曲面片。根据软件强大的视觉效果，最后生成的三维实体模型，见图3。

有限元模型的建立：把Geomagic里生成的腰椎实体模型IGES文件导入到Pro/ENGINEER Wildfire 5.0^[6] 中，利用其强大的装配功能完成腰椎实体模型与人工椎间盘的装配，然后将装配好的实体模型以“.x_t”格式导入有限元分析软件Ansys12.0中^[7]，导入后的实体模型见图4，赋予材料属性并划分网格。

主要观察指标：实验所选取各节点的应力。

讨论

脊柱融合术短期可重建脊柱稳定性而缓解疼痛症状，却改变了脊柱的生物力学，进一步促使周围组织和相邻椎间盘的退变，约30%有长期后遗症^[12-14]。人工腰椎间盘置换作为腰椎融合之外治疗腰椎间盘退行性病变的另一合理的选择，目的是使患者退变椎间盘引起的疼痛得到长期缓解，重建椎间隙高度以保护神经组织，并且保留脊柱运动以避免晚期发生的关节突关节以及邻近脊柱节段的病变。随着人工椎间盘研究的不断深入，在美国和欧洲的临床使用已证实短期内可以恢复脊柱的运动学和载荷特性，恢复脊柱功能单位的稳定性和运动能力，但对人工椎间盘置换后的相关生物力学研究则不够完善^[15-27]。

腰椎力学性质较常见的研究方法有动物模型，物理模型和尸体模型，以及最新发展起来的计算机有限元分析模型。然而前3种模型缺乏生物力学的变化，并且实验费用高，取材困难，可重复性较低等使其应用受到限制，而作为与传统实验生物力学相互验证和互为补充的方法，有限元分析正越来越多地被应用于生物力学研究。有限元模型可进行脊柱动力学(载荷下的脊柱运动)、运动学(椎体间运动)和脊椎及椎间盘内部的应力应变等各种研究，具备以下优势：可以研究椎体内部的应力，对探索骨适应性变化和骨质疏松的成因有很大意义；可以模拟活体发生的真实现象(骨和软组织的适应性变化，融合对邻近节段的影响)；可以模拟肌肉和韧带对脊柱力学的影响；对损伤、退变、肿瘤等多种疾病进行模拟；促进脊柱手术的设计方案不断的改进和提高；有助于新的脊柱器械的评价。

由于逆向建模的特点，正向的CAD/CAM软件不能满足快速、准确的模型重建的需要，而Pro/Engineer的SCAN-TOOLS模块、UG的Point cloudy功能、CATIA的QSR/GSD/DSE等模块已不能满足数据处理、造型等逆向技术的要求，Geomagic Studio等系统软件可以很方便的满足逆向技术的要求，快速准确地反求出腰椎三维实体模型。基于CT图像的建模方法具有自动、标准、快速建模等优点，是腰椎运动节段几何模型建模的主要研究方法^[28-38]。通过CT扫描获得的Dicom格式的原始图像在Mimics中进行预处理时无需进行任何格式的转换，避免了信息的丢失，且节约了大量时间，减少了工作量，利用“阈值”的界定完成骨骼轮廓线的提取，实现了自动化，提高了建模速度与精度。

文章采用的研究方法正是通过CT扫描获取连续的断层图片，应用医学图像软件Mimics10.01和逆向工程软件Geomagic Studio 10.0相结合精确建立了腰椎三维实体模型，避免了信息的丢失，模型形态与腰椎的解剖形态具有满意的相似性，提高了建模的精度与质量。运用有限元方法建立的人工腰椎间盘置换的三维有限元模型高度模拟腰椎结构与材料的特性，具有结构完整、空间结构测量准确度高、单元划分精细、重点突出等特点。该模型可进行任意旋转观察，并可通过调整模型几何及材料参数以模拟不同临床与实验状态。

在结构设计方面，针对人工腰椎间盘使用中的主要问题^[39]，如：①假体活动度过大而稳定性不够。②有滑动核脱出的现象。③金属盖板缺乏表面处理，因而与骨表面的互相长入欠佳等，设计的新型人工椎间盘通过镶嵌在上下盖板内的硅胶人工髓核的变形运动实现椎间盘的正常运动，不存在摩擦，很大程度上避免了人工腰椎间盘使用中的主要问题，同时对人工盖板进行了钛喷涂处理，有利于金属盖板与骨表面的互相长入。在材料选用方面，与目前较为成熟的SB ChariteⅢ型人工椎间盘的聚乙烯滑动核不同，人工髓核材料采用医用硅胶，大量试验证明，与其他弹性体相比，硅橡胶表现出与人体组织和体液的优异相容性，植入体内时组织反应极低。硅橡胶无色无味，不会助长细菌繁殖，亦不会玷污或腐蚀其他材料，易于加工成复杂的形状，在医疗卫生、医学方面获得越来越广泛的应用^[40-43]。作为医用产品，硅橡胶配方符合FDA、ISO和三组分生物相容性指南，硅橡胶具有耐热、耐寒、无毒、耐生物老化、生理惰性、对人体组织反应极小、植入人体组织后不引起异物反应、对周围组织不引发炎症及较好的物理机械性能等优点，符合医用高分子材料的要求^[44-45]。与绝大多数弹性体相比，硅橡胶能承受极广的温度范围，经历-60- 260 ℃的温度变化时仍能保持稳定，而且可通过EtO气体、γ射线或E射线辐射、蒸煮和其他方法进行消毒处理。硅橡胶能承受水和多种化学剂腐蚀，包括某些酸性物质、氧化性化学剂、氨水和异丙醇。硅橡胶撕裂强度(250 ppi)和拉伸强度(1 500 psi)较高，伸长率(1 250%)和柔软性能优良，加压变形率低。

结论：在新型人工椎间盘置换三维有限元模型的基础上进行进一步的受力变形分析、人工椎间盘置换后脊柱各部位生物力学变化的计算、与实体生物力学实验进行对比研究等，同时为后续的动物模型、实验室研究及临床研究奠定了基础；此外，将不断改善人工椎间盘的设计和材料的选择，为进一步运用合适材料，设计合理的人工椎间盘的研究提供了依据。