脊柱-骨盆固定中单侧双枚髂骨螺钉钉道的设计及有限元分析

发布时间：2020-06-15 16:36

【摘要】：目的:利用三维CT重建、逆向工程等计算机辅助技术设计脊柱-骨盆联合固定中单侧双枚髂骨螺钉置钉的最优钉道,并进行有限元分析验证。为脊柱-骨盆固定术中个性化置入单侧双枚髂骨螺钉提供理论和技术支持。方法:对1名健康成年志愿者的腰2-骨盆进行薄层CT扫描,将扫描获取的影像学数据以Dicom格式导入mimics16.0软件中进行三维重建后再由solidwork2015软件建立腰2-骨盆的三维有限元模型。依照既往文献中髂骨螺钉的置入方向,使用自动分割配合部分人工干预的方法对脊柱-骨盆模型中的髂骨部分进行多层纵向剖分,在每一层剖分面上确定髂骨螺钉置入安全区的几何边界,提取出该安全区边界点的二维图像坐标,确认该边界内可容纳的最大内切圆,记录这些圆心的坐标,之后再利用最小二乘法拟合出最接近这些圆心的空间直线,沿这条直线所生成的螺钉钉道,则被视为几何学上最优的髂骨螺钉钉道,同法生成第二枚髂骨螺钉的几何钉道,并确认这两条钉道的位置、最大直径和长度。再利用复制、平移、旋转工具等生成“自由钉道”以模拟临床手术中使用传统方式置入的单侧双枚髂骨螺钉。根据所需置入的内置物尺寸及力学参数在Solidwoks2015软件中绘制出内置物模型,依据设计出来的钉道装配腰2-骨盆固定模型。参照既往有限元分析中对于内置物、腰椎、骨盆的皮质骨、松质骨、椎间盘、纤维环、髓核、韧带、关节面软骨等结构进行赋值和网格划分。分别对按照“几何钉道”和“自由钉道”置钉的脊柱-骨盆模型在前屈、后伸、侧屈、旋转等工况下模型的整体位移、应力以及螺钉的应力进行观察以及验证使用“几何钉道”方法置入单侧双髂骨螺钉的可行性,对比并确定脊柱-骨盆定中单侧双髂骨螺钉置钉的最优钉道。结果:成功建立了正常成年男性腰2-骨盆的三维有限元模型,并在该模型的基础上利用“几何钉道”方法建立了脊柱-骨盆固定中单侧双枚髂骨螺钉的“几何钉道”和“自由钉道”模型,并对两种钉道模型进行了有限元分析验证。其中“几何钉道”模型拥有节点:709411个,四面体单元:416673个;“自由钉道”模型拥有节点:725525个,四面体单元:416793个。结论:“几何钉道”技术可以成功的应用在单侧双枚髂骨钉的钉道设计和建立中,所建立的“几何钉道”髂骨螺钉较传统髂骨螺钉拥有更准确的置入路径以及更深的置入深度。并且在后伸、旋转等工况下“几何钉道”髂骨螺钉较传统髂骨螺钉具有更高的抗疲劳、抗旋转以及整体稳定性,并且单侧的双枚髂骨螺钉间的应力分布也更加均衡,是一种良好的单侧双枚髂骨螺钉的置入方式。
【学位授予单位】：内蒙古医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R687.3;TB115
【图文】：

6内蒙古医科大学硕士研究生学位论文（20志愿者取仰卧位，使用 64 位螺旋 CT 对其腰 2-骨盆区域进行水平薄层扫描，得图像数据 500 张，并以 DICOM 格式导出。1.2.2 将提取到的图像数据输入 Mimics20 软件处理将 1.2.1 中提取的 500 张 DICOM 格式的脊柱-骨盆水平截面图像输入至 Mimics2件中，并将图片以冠状位、水平位、失状位方向显示。（见图 1）

内蒙古医科大学硕士研究生学位论文（2019） 图 2.阈值分割后的脊柱-骨盆三种截面图1.2.4 区域增长及三维轮廓的获取使用阈值分割粗略提取出的骨骼结构较为笼统，需要三维重建的目标结构与其余的结构均包含在内，个别骨骼结构的细节与真实人体结构尚有很大差距，如各个的上、下关节凸间的缝隙较为狭小，单纯阈值分割无法将关节凸关节相互分割开来默认关节凸间依靠骨性结构相连接，这与实际情况显然是不相符的，并且此时的骨型结构边缘粗糙，甚至存在部分空洞，因此我们需要利用区域增长以及“Edit mask能对其进行进一步处理，将本实验中不需要的骨性结构如：双侧股骨等去除，保留三维重建的目标结构，并细化处理骨骼结构的边缘、填补空洞，将腰椎各个关节凸骨性连接去除（见图 3）。再进行一系列蒙版编辑、布尔运算等处理后生成腰 2-骨型的三维模型轮廓（见图 4），并以 STL 格式文件导出。

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