本發(fā)明涉及一種貼合程度可控的個(gè)性化骨板快速設(shè)計(jì)方法，屬于生物醫(yī)用假體技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著交通事故、自然災(zāi)害的發(fā)生及老齡化社會(huì)的深入，骨修復(fù)、骨置換的需求越來越多，如何提供安全可靠，且具有良好力學(xué)性能的骨植入物已成為亟待解決的臨床問題之一。其中，骨板是最常用的骨植入體，在實(shí)際臨床中具有舉足輕重的作用。

目前，傳統(tǒng)的骨板大多采用批量生產(chǎn)，僅存在不同的型號和尺寸差別，且形狀大多呈規(guī)則狀，在臨床手術(shù)過程中需要醫(yī)生根據(jù)實(shí)際的需求情況借助鉗子、扳手等相關(guān)工具進(jìn)行臨時(shí)塑形。由于骨板均由金屬制成(如鈦合金)，手工塑形困難較大，且無法進(jìn)行復(fù)雜形狀的精確塑形，從而影響骨板與骨骼修復(fù)部位的貼合度，對于骨板的長期固定極為不利。

隨著多軸數(shù)控機(jī)床的發(fā)明與增材制造(3d打印)技術(shù)的發(fā)展，個(gè)性化骨板的引入為任意形態(tài)的個(gè)性化骨板制作提供了契機(jī)。如中國發(fā)明專利cn2016103921021、cn2016104073744公開了利用3d打印技術(shù)制備人工骨的方法，解決了個(gè)性化定制的問題。但僅僅解決制備問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的，設(shè)計(jì)是生產(chǎn)的前提，只有先設(shè)計(jì)出貼合程度可控、形態(tài)多樣的骨板，才能進(jìn)一步利用先進(jìn)的加工定制設(shè)備進(jìn)行制備。目前，對于起主導(dǎo)作用的骨板設(shè)計(jì)問題依然存在很多問題，例如，對于不相連的復(fù)雜形態(tài)骨骼固定時(shí)，只能大概根據(jù)人體骨骼形態(tài)非常低效的設(shè)計(jì)出大致相配的骨板，無法實(shí)現(xiàn)骨板的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，貼合精度不可控，貼合度較低，幾何適配性不足，對骨板的牢固固定極為不利，無法保證使用壽命和使用安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述原因，本發(fā)明的目的在于提供一種貼合程度可控的個(gè)性化骨板快速設(shè)計(jì)方法，可快速、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)出與病患骨骼相適配的骨板，貼合程度可控，依該方法制備的骨板植入后固定牢靠，與人體原骨具有較好的力學(xué)適配性，能夠有效提高骨板的使用壽命及安全性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種貼合程度可控的個(gè)性化骨板快速設(shè)計(jì)方法，包括：

s1：利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)構(gòu)造病患骨骼的三維模型；

s2：根據(jù)病患骨骼的三維模型及該三維模型上需固定骨板的區(qū)域范圍，生成相適應(yīng)的參數(shù)面片；該參數(shù)面片是由彼此相交的若干線條構(gòu)成的面；

s3：基于病患骨骼的三維模型，將參數(shù)面片朝向該三維模型進(jìn)行蒙皮拉伸處理，形成與該三維模型表面形態(tài)相貼合的塑形面片；

s4：對該塑形面片進(jìn)行修形調(diào)整處理，生成具有一定厚度及形態(tài)的骨板模型。

所述參數(shù)面片的參數(shù)設(shè)置包括長度、寬度、x軸向網(wǎng)格間距、y軸向網(wǎng)格間距、交點(diǎn)數(shù)量。

所述步驟s3中，設(shè)置一定的拉伸深度，使得拉伸的參數(shù)面片能夠覆蓋所述三維模型上需固定骨板的區(qū)域范圍。

所述步驟s4中，對所述塑形面片進(jìn)行修形調(diào)整處理包括對所述塑形面片先加厚再裁切處理，或是，先裁切再加厚處理。

對所述塑形面片進(jìn)行加厚處理是指，所述塑形面片與病患骨骼的三維模型的貼合面不作調(diào)整，所述塑形面片相對該貼合面的另一面沿遠(yuǎn)離貼合面的方向加厚，形成具有一定厚度的塑形面體。

對所述塑形面片進(jìn)行裁切處理是指，根據(jù)所述病患骨骼的三維模型上需固定骨板的區(qū)域范圍，設(shè)計(jì)相適應(yīng)的裁切參考面，以該裁切參考面為基準(zhǔn)，利用拉伸切除、剪切方式，去除所述塑形面片上不需要的部分，形成具有特定形態(tài)的骨板模型，并在該骨板模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)定位孔。

所述病患骨骼的三維模型可以是一塊骨骼的三維模型，也可以是多塊骨骼的三維模型，可以是相連在一起的多塊骨骼的三維模型，也可以是互不相連的多塊骨骼的三維模型。

利用多軸數(shù)控機(jī)床與增材制造技術(shù)，制備所述具有一定厚度及形態(tài)的骨板模型。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明的個(gè)性化骨板快速設(shè)計(jì)方法，通過設(shè)置參數(shù)面片的各項(xiàng)參數(shù)，可精確控制骨板與原骨的貼合程度；

2、本發(fā)明的個(gè)性化骨板快速設(shè)計(jì)方法，可以面向復(fù)雜、形態(tài)各異的骨骼，一次性的形成幾何尺寸適配的骨板貼合面，精度高，效率高；

3、本發(fā)明的個(gè)性化骨板快速設(shè)計(jì)方法，是在病患骨骼的三維模型基礎(chǔ)上，通過蒙皮拉伸形成塑形面片，病患骨骼可以是一塊也可以是多塊，可以是相連的多塊，也可以是不相連的多塊，適用范圍廣；

4、本發(fā)明的個(gè)性化骨板快速設(shè)計(jì)方法，蒙皮拉伸范圍僅需覆蓋需固定骨板的區(qū)域范圍即可，拉伸方向不限，操作簡單、靈活；

5、本發(fā)明的個(gè)性化骨板快速設(shè)計(jì)方法，根據(jù)需要對塑形面片進(jìn)行加厚、裁切等修形調(diào)整處理，設(shè)計(jì)靈活，在保證貼合度的基礎(chǔ)上，能夠最大限度的與原骨相適配；

6、本發(fā)明的個(gè)性化骨板快速設(shè)計(jì)方法，能夠設(shè)計(jì)出適配性佳，形態(tài)復(fù)雜多樣，貼合度精確可控的骨板，在此基礎(chǔ)上，再利用多軸數(shù)控機(jī)床與增材制造技術(shù)制備出個(gè)性化的骨板，使用安全，舒適度高，能夠有效延長骨板的使用壽命。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法流程圖。

圖2是本發(fā)明于一具體實(shí)施例中的設(shè)計(jì)過程示意圖。

圖3是本發(fā)明的參數(shù)面片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的蒙皮拉伸塑形的過程示意圖。

圖5是本發(fā)明的骨板固定于人體原骨的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1、2所示，本發(fā)明公開的貼合程度可控的個(gè)性化骨板快速設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

s1：利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)構(gòu)造病患骨骼的三維模型；

對患者的病患部位進(jìn)行ct或mri醫(yī)學(xué)掃描檢查，將獲取的病患部位骨骼m(xù)ri或ct數(shù)據(jù)，導(dǎo)出至特定軟件(如mimics軟件)，參考患者病例情況及具體需求逐層提取出病患部位骨骼的外輪廓，然后統(tǒng)一擬合生成病患骨骼的三維模型，并保存為igs，stl等格式數(shù)據(jù)。其中，ct或mri掃描的層厚及輪廓的提取決定著重建三維模型的精度以及后期骨板的貼合精度，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理。

s2：根據(jù)病患骨骼的三維模型及該三維模型上需固定骨板的區(qū)域范圍，生成相適應(yīng)的參數(shù)面片；

將病患骨骼的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)的軟件中(如rhinoceros軟件)，以病患骨骼的三維模型為基礎(chǔ)，確定三維模型上需固定骨板的區(qū)域范圍，生成可覆蓋需固定骨板的區(qū)域范圍的參數(shù)面片。

如圖3所示，參數(shù)面片是由橫、縱相交的若干線條構(gòu)成的面，相交的線條形成若干點(diǎn)。參數(shù)面片的參數(shù)設(shè)置直接決定了貼合精度，具體的說，參數(shù)面片的參數(shù)設(shè)置包括長度l、寬度w、網(wǎng)格間距(包括x軸向網(wǎng)格間距l(xiāng)i、y軸向網(wǎng)格間距hi)、點(diǎn)p的數(shù)量等。長度l、寬度w的設(shè)置，決定了參數(shù)面片的整體大小，參數(shù)面片的整體大小一般與病患骨骼的三維模型的尺寸相仿；在長度l、寬度h一定的條件下，設(shè)置不同的x軸向網(wǎng)格間距l(xiāng)i、y軸向網(wǎng)格間距hi，可形成不同貼合精度的參數(shù)面片，進(jìn)而直接影響后續(xù)塑形面片的精度，x軸向網(wǎng)格間距l(xiāng)i、y軸向網(wǎng)格間距hi越小，點(diǎn)p的數(shù)量越多，后續(xù)對參數(shù)面片進(jìn)行蒙皮拉伸操作時(shí)，參數(shù)面片越能精確的附著于病患骨骼的三維模型上，形成貼合度較高的骨板，同理，x軸向網(wǎng)格間距l(xiāng)i、y軸向網(wǎng)格間距hi越大，點(diǎn)p的數(shù)量越少，最終可形成貼合度較低的骨板。點(diǎn)p的精度是刻畫貼合面的重要元素，兩點(diǎn)成線，三點(diǎn)成面，骨板的貼合程度與點(diǎn)p的數(shù)量成正比，但同時(shí)，計(jì)算機(jī)的建模計(jì)算速度也會(huì)隨著點(diǎn)數(shù)量的增多而下降。參數(shù)面片的各項(xiàng)參數(shù)的具體設(shè)計(jì)需要根據(jù)骨組織周圍軟組織的情況及相應(yīng)部位的生物力學(xué)特性進(jìn)行確定。

s3：基于病患骨骼的三維模型，將參數(shù)面片朝向該三維模型進(jìn)行蒙皮拉伸處理，形成與該三維模型表面形態(tài)相貼合的塑形面片；

如圖4所示，將病患骨骼的三維模型1與參數(shù)面片2前、后相對放置，且，三維模型上對應(yīng)需固定骨板的區(qū)域與參數(shù)面片相對應(yīng)，或是，參數(shù)面片經(jīng)蒙皮拉伸后，可與三維模型上對應(yīng)需固定骨板的區(qū)域相貼合；根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置一定的拉伸深度d，以使拉伸后的參數(shù)面片能夠完全覆蓋三維模型上需固定骨板的區(qū)域范圍，然后，以蒙皮方式將參數(shù)面片2朝向病患骨骼的三維模型1的相應(yīng)面拉伸(如圖4中的a-a方向)，參數(shù)面片與該三維模型相接觸的部分緊密貼合，形成貼合面，拉伸至設(shè)置的拉伸深度d后停止拉伸操作。

需要說明的是，病患骨骼的三維模型可以是一塊骨骼的三維模型，也可以是多塊骨骼的三維模型，可以是相連在一起的多塊骨骼的三維模型，也可以是互不相連的多塊骨骼的三維模型。蒙皮拉伸的方向只要能覆蓋三維模型上需固定骨板的區(qū)域范圍即可，無需特別限定。

s4：移出成形的塑形面片，對該塑形面片進(jìn)行修形調(diào)整處理，生成具有一定厚度及形態(tài)的骨板模型。

針對已經(jīng)成形的塑形面片，進(jìn)行加厚、裁切等修形調(diào)整處理，生成具有一定厚度的形態(tài)各異的骨板模型3。根據(jù)實(shí)際需要，可以先進(jìn)行加厚處理再進(jìn)行裁切處理，或是，先進(jìn)行裁切處理再進(jìn)行加厚處理。其中：

加厚處理是指針對塑形面片，利用軟件中的加厚工具沿特定方向進(jìn)行加厚處理，形成具有一定厚度的塑形面體。為保證塑形面片與病患骨骼之間貼合面的貼合精度，加厚方向設(shè)置為遠(yuǎn)離患病骨骼的三維模型的方向，即塑形面片與病患骨骼的貼合面不作調(diào)整，塑形面片相對貼合面的另一面沿遠(yuǎn)離貼合面的方向加厚。加厚的厚度可先預(yù)估設(shè)定，后期通過有限元分析的結(jié)果再進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

裁切處理是指針對塑形面片，利用軟件中的切除等方法去除不需要的部分，形成具有特定形態(tài)的骨板模型。具體方法是，根據(jù)病患骨骼的三維模型上需固定骨板的區(qū)域范圍，設(shè)計(jì)相適應(yīng)的裁切參考面，以該裁切參考面為基準(zhǔn)，利用拉伸切除、剪切等方式，去除塑形面片上不需要的部分，形成具有特定形態(tài)的骨板模型，之后，在該骨板模型上設(shè)置定位孔，用于穿設(shè)骨釘4、與病患骨骼相固定。

本發(fā)明的貼合度可控的個(gè)性化骨板快速設(shè)計(jì)方法，首先對病患骨骼進(jìn)行三維重建，根據(jù)設(shè)計(jì)要求及需要，生成與該三維模型及三維模型上需固定骨板的區(qū)域范圍相適應(yīng)的參數(shù)面片，將該參數(shù)面片朝向該三維模型進(jìn)行蒙皮拉伸操作，形成與該三維模型表面形態(tài)相貼合的塑形面片，該塑形面片可完全覆蓋三維模型上需固定骨板的區(qū)域范圍，然后對塑形面片進(jìn)行裁切、加厚等修形調(diào)整處理，生成具有一定厚度及形態(tài)的骨板模型。后續(xù)，可利用現(xiàn)有的加工制造設(shè)備及技術(shù)，如多軸數(shù)控機(jī)床與增材制造技術(shù)，制備出個(gè)性化的骨板，依本發(fā)明設(shè)計(jì)制備出的骨板，適配性佳，使用安全，舒適度高，使用壽命長。

以上所述是本發(fā)明的較佳實(shí)施例及其所運(yùn)用的技術(shù)原理，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。