贴合程度可控的个性化骨板快速设计方法与流程

本发明涉及一种贴合程度可控的个性化骨板快速设计方法，属于生物医用假体技术领域。

背景技术：

随着交通事故、自然灾害的发生及老龄化社会的深入，骨修复、骨置换的需求越来越多，如何提供安全可靠，且具有良好力学性能的骨植入物已成为亟待解决的临床问题之一。其中，骨板是最常用的骨植入体，在实际临床中具有举足轻重的作用。

目前，传统的骨板大多采用批量生产，仅存在不同的型号和尺寸差别，且形状大多呈规则状，在临床手术过程中需要医生根据实际的需求情况借助钳子、扳手等相关工具进行临时塑形。由于骨板均由金属制成(如钛合金)，手工塑形困难较大，且无法进行复杂形状的精确塑形，从而影响骨板与骨骼修复部位的贴合度，对于骨板的长期固定极为不利。

随着多轴数控机床的发明与增材制造(3d打印)技术的发展，个性化骨板的引入为任意形态的个性化骨板制作提供了契机。如中国发明专利cn2016103921021、cn2016104073744公开了利用3d打印技术制备人工骨的方法，解决了个性化定制的问题。但仅仅解决制备问题是远远不足的，设计是生产的前提，只有先设计出贴合程度可控、形态多样的骨板，才能进一步利用先进的加工定制设备进行制备。目前，对于起主导作用的骨板设计问题依然存在很多问题，例如，对于不相连的复杂形态骨骼固定时，只能大概根据人体骨骼形态非常低效的设计出大致相配的骨板，无法实现骨板的准确设计，贴合精度不可控，贴合度较低，几何适配性不足，对骨板的牢固固定极为不利，无法保证使用寿命和使用安全性。

技术实现要素：

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种贴合程度可控的个性化骨板快速设计方法，可快速、准确的设计出与病患骨骼相适配的骨板，贴合程度可控，依该方法制备的骨板植入后固定牢靠，与人体原骨具有较好的力学适配性，能够有效提高骨板的使用寿命及安全性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种贴合程度可控的个性化骨板快速设计方法，包括：

s1：利用医学影像数据构造病患骨骼的三维模型；

s2：根据病患骨骼的三维模型及该三维模型上需固定骨板的区域范围，生成相适应的参数面片；该参数面片是由彼此相交的若干线条构成的面；

s3：基于病患骨骼的三维模型，将参数面片朝向该三维模型进行蒙皮拉伸处理，形成与该三维模型表面形态相贴合的塑形面片；

s4：对该塑形面片进行修形调整处理，生成具有一定厚度及形态的骨板模型。

所述参数面片的参数设置包括长度、宽度、x轴向网格间距、y轴向网格间距、交点数量。

所述步骤s3中，设置一定的拉伸深度，使得拉伸的参数面片能够覆盖所述三维模型上需固定骨板的区域范围。

所述步骤s4中，对所述塑形面片进行修形调整处理包括对所述塑形面片先加厚再裁切处理，或是，先裁切再加厚处理。

对所述塑形面片进行加厚处理是指，所述塑形面片与病患骨骼的三维模型的贴合面不作调整，所述塑形面片相对该贴合面的另一面沿远离贴合面的方向加厚，形成具有一定厚度的塑形面体。

对所述塑形面片进行裁切处理是指，根据所述病患骨骼的三维模型上需固定骨板的区域范围，设计相适应的裁切参考面，以该裁切参考面为基准，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，形成具有特定形态的骨板模型，并在该骨板模型基础上设计定位孔。

所述病患骨骼的三维模型可以是一块骨骼的三维模型，也可以是多块骨骼的三维模型，可以是相连在一起的多块骨骼的三维模型，也可以是互不相连的多块骨骼的三维模型。

利用多轴数控机床与增材制造技术，制备所述具有一定厚度及形态的骨板模型。

本发明的优点是：

1、本发明的个性化骨板快速设计方法，通过设置参数面片的各项参数，可精确控制骨板与原骨的贴合程度；

2、本发明的个性化骨板快速设计方法，可以面向复杂、形态各异的骨骼，一次性的形成几何尺寸适配的骨板贴合面，精度高，效率高；

3、本发明的个性化骨板快速设计方法，是在病患骨骼的三维模型基础上，通过蒙皮拉伸形成塑形面片，病患骨骼可以是一块也可以是多块，可以是相连的多块，也可以是不相连的多块，适用范围广；

4、本发明的个性化骨板快速设计方法，蒙皮拉伸范围仅需覆盖需固定骨板的区域范围即可，拉伸方向不限，操作简单、灵活；

5、本发明的个性化骨板快速设计方法，根据需要对塑形面片进行加厚、裁切等修形调整处理，设计灵活，在保证贴合度的基础上，能够最大限度的与原骨相适配；

6、本发明的个性化骨板快速设计方法，能够设计出适配性佳，形态复杂多样，贴合度精确可控的骨板，在此基础上，再利用多轴数控机床与增材制造技术制备出个性化的骨板，使用安全，舒适度高，能够有效延长骨板的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的设计方法流程图。

图2是本发明于一具体实施例中的设计过程示意图。

图3是本发明的参数面片的结构示意图。

图4是本发明的蒙皮拉伸塑形的过程示意图。

图5是本发明的骨板固定于人体原骨的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1、2所示，本发明公开的贴合程度可控的个性化骨板快速设计方法，包括以下步骤：

s1：利用医学影像数据构造病患骨骼的三维模型；

对患者的病患部位进行ct或mri医学扫描检查，将获取的病患部位骨骼mri或ct数据，导出至特定软件(如mimics软件)，参考患者病例情况及具体需求逐层提取出病患部位骨骼的外轮廓，然后统一拟合生成病患骨骼的三维模型，并保存为igs，stl等格式数据。其中，ct或mri扫描的层厚及轮廓的提取决定着重建三维模型的精度以及后期骨板的贴合精度，需要根据实际情况进行处理。

s2：根据病患骨骼的三维模型及该三维模型上需固定骨板的区域范围，生成相适应的参数面片；

将病患骨骼的三维模型数据导入相关的软件中(如rhinoceros软件)，以病患骨骼的三维模型为基础，确定三维模型上需固定骨板的区域范围，生成可覆盖需固定骨板的区域范围的参数面片。

如图3所示，参数面片是由横、纵相交的若干线条构成的面，相交的线条形成若干点。参数面片的参数设置直接决定了贴合精度，具体的说，参数面片的参数设置包括长度l、宽度w、网格间距(包括x轴向网格间距li、y轴向网格间距hi)、点p的数量等。长度l、宽度w的设置，决定了参数面片的整体大小，参数面片的整体大小一般与病患骨骼的三维模型的尺寸相仿；在长度l、宽度h一定的条件下，设置不同的x轴向网格间距li、y轴向网格间距hi，可形成不同贴合精度的参数面片，进而直接影响后续塑形面片的精度，x轴向网格间距li、y轴向网格间距hi越小，点p的数量越多，后续对参数面片进行蒙皮拉伸操作时，参数面片越能精确的附着于病患骨骼的三维模型上，形成贴合度较高的骨板，同理，x轴向网格间距li、y轴向网格间距hi越大，点p的数量越少，最终可形成贴合度较低的骨板。点p的精度是刻画贴合面的重要元素，两点成线，三点成面，骨板的贴合程度与点p的数量成正比，但同时，计算机的建模计算速度也会随着点数量的增多而下降。参数面片的各项参数的具体设计需要根据骨组织周围软组织的情况及相应部位的生物力学特性进行确定。

s3：基于病患骨骼的三维模型，将参数面片朝向该三维模型进行蒙皮拉伸处理，形成与该三维模型表面形态相贴合的塑形面片；

如图4所示，将病患骨骼的三维模型1与参数面片2前、后相对放置，且，三维模型上对应需固定骨板的区域与参数面片相对应，或是，参数面片经蒙皮拉伸后，可与三维模型上对应需固定骨板的区域相贴合；根据实际需要，设置一定的拉伸深度d，以使拉伸后的参数面片能够完全覆盖三维模型上需固定骨板的区域范围，然后，以蒙皮方式将参数面片2朝向病患骨骼的三维模型1的相应面拉伸(如图4中的a-a方向)，参数面片与该三维模型相接触的部分紧密贴合，形成贴合面，拉伸至设置的拉伸深度d后停止拉伸操作。

需要说明的是，病患骨骼的三维模型可以是一块骨骼的三维模型，也可以是多块骨骼的三维模型，可以是相连在一起的多块骨骼的三维模型，也可以是互不相连的多块骨骼的三维模型。蒙皮拉伸的方向只要能覆盖三维模型上需固定骨板的区域范围即可，无需特别限定。

s4：移出成形的塑形面片，对该塑形面片进行修形调整处理，生成具有一定厚度及形态的骨板模型。

针对已经成形的塑形面片，进行加厚、裁切等修形调整处理，生成具有一定厚度的形态各异的骨板模型3。根据实际需要，可以先进行加厚处理再进行裁切处理，或是，先进行裁切处理再进行加厚处理。其中：

加厚处理是指针对塑形面片，利用软件中的加厚工具沿特定方向进行加厚处理，形成具有一定厚度的塑形面体。为保证塑形面片与病患骨骼之间贴合面的贴合精度，加厚方向设置为远离患病骨骼的三维模型的方向，即塑形面片与病患骨骼的贴合面不作调整，塑形面片相对贴合面的另一面沿远离贴合面的方向加厚。加厚的厚度可先预估设定，后期通过有限元分析的结果再进行优化调整。

裁切处理是指针对塑形面片，利用软件中的切除等方法去除不需要的部分，形成具有特定形态的骨板模型。具体方法是，根据病患骨骼的三维模型上需固定骨板的区域范围，设计相适应的裁切参考面，以该裁切参考面为基准，利用拉伸切除、剪切等方式，去除塑形面片上不需要的部分，形成具有特定形态的骨板模型，之后，在该骨板模型上设置定位孔，用于穿设骨钉4、与病患骨骼相固定。

本发明的贴合度可控的个性化骨板快速设计方法，首先对病患骨骼进行三维重建，根据设计要求及需要，生成与该三维模型及三维模型上需固定骨板的区域范围相适应的参数面片，将该参数面片朝向该三维模型进行蒙皮拉伸操作，形成与该三维模型表面形态相贴合的塑形面片，该塑形面片可完全覆盖三维模型上需固定骨板的区域范围，然后对塑形面片进行裁切、加厚等修形调整处理，生成具有一定厚度及形态的骨板模型。后续，可利用现有的加工制造设备及技术，如多轴数控机床与增材制造技术，制备出个性化的骨板，依本发明设计制备出的骨板，适配性佳，使用安全，舒适度高，使用寿命长。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。