一種骨科內(nèi)固定物成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及骨科器械領(lǐng)域，特別涉及一種骨科內(nèi)固定物成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 骨科內(nèi)固定技術(shù)已廣泛應(yīng)用于臨床，杰出的骨科醫(yī)生，往往不僅是技藝高超的"魯 班"，還是優(yōu)秀的發(fā)明家?；跅U-螺絲釘、板-螺絲釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)解決了骨科植入物的固定、受 力和耐久性等力學(xué)問題。依靠螺絲釘固定的骨科植入物，由于"螺絲釘與宿主骨破壞性的固 定方式"、"工業(yè)化的棒、板、帶、絲等結(jié)構(gòu)無法與個性化的宿主骨表面契合"以及"植入物彈 性模量與活體骨之間的差異"等原因，使得植入物固定后，宿主骨會出現(xiàn)"應(yīng)力集中"和"應(yīng) 力遮擋"等力學(xué)現(xiàn)象，由此引起"骨萎縮"、"骨不連"等并發(fā)癥發(fā)生。
[0003] 因此，如何基于逆向、正向設(shè)計，通過3D打印，制造出個性化的無源內(nèi)固定物，擺 脫骨科植入物固定時對螺絲釘?shù)囊蕾嚕顾拗鞴潜苊鈶?yīng)力集中、減少應(yīng)力遮擋是一項亟待 突破的關(guān)鍵技術(shù)。這不僅能在骨生物力學(xué)的理論研究上、骨科無源內(nèi)固定物正向和逆向工 程設(shè)計的方法上取得新進展，還有望應(yīng)用于臨床。隨著人口老齡化、GDP的持續(xù)增長和醫(yī)療 政策改善，中國的骨科器械市場以每年15-20%的速度持續(xù)增長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服了上述缺陷，提供一種可克服應(yīng)力集中和應(yīng)力遮擋的骨科 內(nèi)固定物成型方法。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種骨科內(nèi)固定物成型方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、由斷層掃描獲得活體骨連續(xù)的斷層影像，在逆向工程軟件中對連續(xù)斷層影 像進行堆棧，在掃描坐標系中重建活體骨的三維模型；
[0008] 步驟2、計算活體骨的質(zhì)心和慣量主軸，獲取體微元的密度P，獲取斷層圖像的水 平分辨率Ax、垂直分辨率Ay和層距AZ，AV=AxAyAz，獲取活體骨上點i在掃描坐 標系的位置坐標（xM,yM,zM)，將上述參數(shù)代入算式：
[0009]
[0010] 計算得出a，0，y，其中（Xai,yai,zai)為活體骨上點i在繞x軸轉(zhuǎn)動a后的位 置坐標，（xPi,yPi,zPi)為活體骨上點i在繞x軸轉(zhuǎn)動a再繞y軸轉(zhuǎn)動0后的位置坐標；
[0011] 步驟3、將掃描坐標系繞x軸轉(zhuǎn)動a，繞y軸轉(zhuǎn)動0，繞z軸轉(zhuǎn)動y，將掃描坐標 系的原點移動至活體骨的質(zhì)心，實現(xiàn)活體骨的姿態(tài)定位；
[0012] 步驟4、獲得步驟3中活體骨表面上的點i的坐標（Xl，yi，Zl)，代入算式：
[0013]
[0014]獲得點i在放大活體骨上的坐標（xj，y;'，zj)，其中Dx(Xi,s,c),Dy(yi,s,c),Dz(z 表示割圓曲線，s表示放大倍數(shù)，c表示點i所處的位置曲線的凸凹性，進而計算得 出放大活體骨的三維模型，將放大活體骨與活體骨之間做"或"布爾運算，得到活體骨的鎧 甲；
[0015] 步驟5、將步驟4中的活體骨的鎧甲剪裁設(shè)計成包括榫部、卯部和燕尾槽栓的榫卯 結(jié)構(gòu)。
[0016] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明創(chuàng)造性地提出骨科無源內(nèi)固定物個性化成型方 法，相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的骨科內(nèi)固物采用榫卯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相互固定，擺脫了對螺絲釘?shù)?依賴，避免對宿主骨的破壞，同時避免了固定過程中集中應(yīng)力的發(fā)生；固定物與宿主骨之間 的幾何關(guān)系來自逆向工程，使得固定物與宿主骨之間實現(xiàn)了高度契合，由此減少了固定物 與宿主骨之間應(yīng)力遮擋；這兩項技術(shù)從源頭上解決了骨萎縮、骨不連等并發(fā)癥的發(fā)生。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實施例骨科內(nèi)固定物成型方法的流程圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明實施例第一妬骨三維重建不意圖；
[0019]圖3是本發(fā)明實施例第一跖骨姿態(tài)定位之前的狀態(tài)圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明實施例第一跖骨姿態(tài)定位之后的狀態(tài)圖；
[0021] 圖5是本發(fā)明實施例第一跖骨姿態(tài)定位前后的對比圖；
[0022] 圖6是本發(fā)明實施例第一妬骨銷甲立體圖；
[0023] 圖7是本發(fā)明實施例第一妬骨銷甲主視圖；
[0024] 圖8是本發(fā)明實施例第一妬骨銷甲俯視圖；
[0025] 圖9是本發(fā)明實施例第一妬骨銷甲和第一妬骨的結(jié)合圖；
[0026] 圖10是本發(fā)明實施例第一妬骨銷甲的榫卯結(jié)構(gòu)不意圖。
【具體實施方式】
[0027] 為詳細說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合實施方式 并配合附圖詳予說明。
[0028] 本發(fā)明最關(guān)鍵的構(gòu)思在于：通過逆向工程確定固定物與宿主骨之間的幾何關(guān)系， 使得固定物與宿主骨之間實現(xiàn)了高度契合，減小應(yīng)力遮擋，將固定物設(shè)計成包括榫部、卯部 和燕尾槽栓的榫卯結(jié)構(gòu)，避免對宿主骨的破壞，減少應(yīng)力集中。
[0029] 請參閱圖1所示，本實施例的骨科內(nèi)固定物成型方法，包括以下步驟：
[0030] 步驟1、由斷層掃描獲得活體骨連續(xù)的斷層影像，在逆向工程軟件中對連續(xù)斷層影 像進行堆棧，在掃描坐標系中重建活體骨的三維模型；
[0031]步驟2、計算活體骨的質(zhì)心和慣量主軸，獲取體微元的密度P，獲取斷層圖像的水 平分辨率Ax、垂直分辨率Ay和層距AZ，AV=AxAyAz，獲取活體骨上點i在掃描坐 標系的位置坐標（xM,yM,zM)，將上述參數(shù)代入算式：
[0032]
[0033] 計算得出a，0，y，其中（xai,yai,zai)為活體骨上點i在繞x軸轉(zhuǎn)動a后的位 置坐標，（xPi,yPi,zPi)為活體骨上點i在繞x軸轉(zhuǎn)動a再繞y軸轉(zhuǎn)動0后的位置坐標；
[0034] 步驟3、將掃描坐標系繞x軸轉(zhuǎn)動a，繞y軸轉(zhuǎn)動0，繞z軸轉(zhuǎn)動y，將掃描坐標 系的原點移動至活體骨的質(zhì)心，實現(xiàn)活體骨的姿態(tài)定位；
[0035]步驟4、獲得步驟3中活體骨表面上的點i的坐標（Xl，yi，Zl)，代入算式：
[0036]
[0037]獲得點i在放大活體骨上的坐標（x/，y;'，z/ )，其中Dx(Xi,s,c),Dy(yi,s,c),Dz( Zl，s，c)表示割圓曲線，s表示放大倍數(shù)，c表示點i所處的位置曲線的凸凹性，進而計算得 出放大活體骨的三維模型，將放大活體骨與活體骨之間做"或"布爾運算，得到活體骨的鎧 甲；
[0038] 步驟5、將步驟4中的活體骨的鎧甲剪裁設(shè)計成包括榫部、卯部和燕尾槽栓的榫卯 結(jié)構(gòu)。
[0039] 從上述描述可知，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明創(chuàng)造性地提出骨科無源內(nèi)固定 物個性化成型方法，相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的骨科內(nèi)固物采用榫卯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相互固定，擺 脫了對螺絲釘?shù)囊蕾?，避免對宿主骨的破壞，同時避免了固定過程中集中應(yīng)力的發(fā)生；固定 物與宿主骨之間的幾何關(guān)系來自逆向工程，使得固定物與宿主骨之間實現(xiàn)了高度契合，由 此減少了固定物與宿主骨之間應(yīng)力遮擋；這兩項技術(shù)從源頭上解決了骨萎縮、骨不連等并 發(fā)癥的發(fā)生。
[0040] 進一步的，在步驟4和步驟5之間還包括：通