一种脊柱侧弯矫形器设计制造方法、脊柱侧弯矫形器

1.本发明属于脊柱侧弯矫形技术领域，具体涉及一种脊柱侧弯矫形器设计制造方法、脊柱侧弯矫形器。


背景技术：

2.脊柱侧弯又称为脊柱侧凸，是指脊柱全长内一个或数个节段偏离身体中线而向侧方弯曲，进而使脊柱形成一个弧状畸形，此外患者往往出现椎体的旋转以及脊柱生理曲度的改变。青少年特发性脊柱侧弯占脊柱侧弯总数的80%，约有2%-3%青少年患此疾病，女性患病概率是男性的三倍。据统计，约90%的脊柱侧弯患者中采用矫形器或其他物理治疗等非手术手段进行治疗，而其余较为严重的患者需要进行手术治疗。
3.传统的矫形器制作方法需要经过多道工序：患者躯干取型制备阴模、灌制石膏阳模、石膏阳模修型、矫形器板材热塑成型及修剪等繁琐工艺。传统的矫形器制作技术对矫形师要求较高，整个工艺流程存在较大误差，导致矫形器成品形态与预期效果差异大、精度低，且与患者躯干贴合度低，整个生产过程周期长，材料消耗严重。与此同时，由于矫形器的受力位置压力较大、接触面的湿度较高以及矫形器体积大、质量重等因素，影响患者日常活动并且导致外观形象不佳，从而产生一系列生理和心理因素，降低患者治疗的依从性，缩短了患者穿戴矫形器的时间，进而影响矫形效果。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种脊柱侧弯矫形器设计制造方法、脊柱侧弯矫形器。
5.本发明所采用的技术方案为：一种脊柱侧弯矫形器设计制造方法，步骤如下：s1，确定矫形力的位置和大小；具体步骤为：获取矫形力的力流传递机理；建立脊柱侧弯躯干生物力学模型；根据脊柱侧弯患者的人体ct扫描数据逆向建立包含骨骼模型、软组织模型的躯干几何模型；所述的骨骼，包括脊柱、肋骨及骨盆等，所述的软组织包括内脏（心脏、肺、脾等）肌肉、皮肤等；并且所述的人体ct扫描数据是通过螺旋ct扫描获得。
6.结合显式有限元理论对躯干几何模型进行网格划分，并定义骨骼模型、软组织模型的材料属性以及接触关系，建立脊柱侧弯躯干生物力学模型。
7.利用有限元仿真软件在脊柱侧弯躯干生物力学模型的躯干皮肤表面施加矫形力，分析该矫形力传递至脊柱上的力，得到矫形力的力流传递机理。
8.获得生理参数与矫形力回归方程；具体步骤为：招募多名青少年特发性脊柱侧弯患者，收集脊柱侧弯患者的生理参数，所述的生
理参数包括年龄、性别、身高、体重、risser征等。
9.获取脊柱侧弯患者的cobb角变化情况；让脊柱侧弯患者佩戴检测矫形器，并在脊柱侧弯患者的各椎体位置粘贴标识点，在检测矫形器与脊柱侧弯患者躯干接触位置放置压力采集系统，逐渐增加检测矫形器束带束紧力，采集脊柱侧弯患者与检测矫形器接触位置的压力值，并使用高速摄像机拍摄脊柱侧弯患者的躯干变化图像；对躯干变化图像进行整理获得各标识点的变化情况，测量得到各标识点对应侧弯cobb角的值；将生理参数、压力值和cobb角进行分析拟合，得到生理参数与矫形力回归方程；获得矫形力
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位移函数关系；结合人体组织结构特点，利用弹性地基梁理论构建人体躯干简化模型，得出相应矫形力与位移的函数关系；根据矫形力的力流传递机理、生理参数与矫形力的回归方程以及矫形力-位移函数关系，确定矫形力位置和大小；s2，构造矫形器三维模型，拓扑优化后进行3d打印；构建矫形器三维模型；根据确定的矫形力位置和大小，在脊柱侧弯躯干生物力学模型上拟合出矫形器轮廓曲线，进而构建出包含施力区与释放区的矫形器三维模型；拓扑优化；为达到轻量化、提高材料利用率及减轻模型质量等效果，利用拓扑优化对矫形器三维模型进行减材处理，得到优化后的矫形器三维模型。
10.具体是在满足矫形器的刚度要求条件下，基于各项正交惩罚密度法优化矫形器三维模型的重量和体积，得到优化后最佳材料分布的矫形器三维模型。
11.筛选矫形器的最佳打印材料；对待选材料进行性能试验，对比分析各待选材料的材料特性，得到最佳打印材料；所述的性能试验，包括但不限于拉伸、压缩、扭转、弯曲、剪切、硬度；所述的材料特性，包括但不限于强度、塑性、弹性、刚度、硬度、耐磨性；所述待选材料包括但不限于pc、abs、尼龙；3d打印出矫形器；将优化后的矫形器三维模型连同最佳打印材料通过工程信息传输与交换传输到快速成型制造系统，运用3d打印技术进行远程快速加工制造。
12.对打印的矫形器进行形状误差检测以及精度分析，使平均误差满足矫形器设计要求。
13.为检验和指导矫形效果，3d打印出矫形器后，让脊柱侧弯患者进行佩戴，采集矫形器与脊柱侧弯患者躯干接触位置的接触压力并反馈至构建矫形器三维模型环节；并且利用压力传感系统对日常活动下矫形器与躯干接触位置的接触压力采集，检测佩戴矫形器参与日常活动时接触压力是否满足矫形所需压力，若压力值变化较大，指导患者调整束带及垫片。
14.并让患者填写满意度评价表，对于满意度较低的患者收集患者的反馈意见进行矫
形器修型及调整。并在患者佩戴矫形器过程中跟踪随访，达到最佳矫形效果。
15.本发明还提供使用矫形器设计制造方法制造的脊柱侧弯矫形器。
16.本发明基于弹性地基梁理论分析、有限元数值计算及临床实验，结合逆向工程、cad技术、生物力学分析及3d打印技术，采用医、工交叉学科结合，提出一种脊柱侧弯矫形器数字化设计方法，为矫形器的设计制造提供理论支撑，整体工艺流程简单方便，易操作，矫形效果好，具有广泛的应用领域和较好的经济效益，并且本发明可对脊柱侧弯矫形力进行定量分析，弥补了传统脊柱侧弯诊治依赖矫形师的经验和水平，致使无法精确定位施力位置和矫形力大小，导致侧弯矫正效果差等缺陷。为脊柱侧弯矫形的诊治了提供理论基础能够设计并制造出具有高矫正率且符合患者体廓和侧弯角度的个性化脊柱侧弯矫形器。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明工艺流程图。
19.图2为本发明躯干有限元三维模型。
20.图3为本发明模拟施力图。
21.图4为本发明的矫形器轮廓曲线图。
22.图5为本发明模拟佩戴矫形器图。
23.图6为本发明脊柱侧弯矫形器3d打印实物图。
24.图7为本发明患者佩戴实体矫形器图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.实施例：一种脊柱侧弯矫形器设计制造方法，如图1所示，步骤如下：s1，确定矫形力的位置和大小；具体步骤为：获取矫形力的力流传递机理；先建立脊柱侧弯躯干生物力学模型；根据脊柱侧弯患者的人体ct扫描数据逆向建立包含骨骼模型、软组织模型的躯干几何模型；所述的骨骼，包括脊柱、肋骨及骨盆等，所述的软组织包括内脏（心脏、肺、脾等）肌肉、皮肤等；并且所述的人体ct扫描数据是通过螺旋ct扫描获得。
27.结合显式有限元理论对躯干几何模型进行网格划分，并定义骨骼模型、软组织模型的材料属性以及接触关系，建立脊柱侧弯躯干生物力学模型。
28.利用有限元仿真软件在脊柱侧弯躯干生物力学模型的躯干皮肤表面施加矫形力，
分析该矫形力传递至脊柱上的力，得到矫形力的力流传递机理。
29.具体操作时，可以利用脊柱侧弯患者人体ct扫描数据，借助专业的医学图像处理mimics软件和逆向工程geomagic studio软件对人体模型进行三维重建，然后利用专业的有限元hypermesh和abaqus软件，结合显式有限元理论进行模型网格化并定义材料属性，建立包含肌肉、骨骼、皮肤、内脏等具有完整结构的躯干有限元模型，如图2所示。
30.按图3所示的施力方式在躯干有限元模型上施加矫形力，并检测躯干及脊柱受力情况，模拟矫形效果分析矫形力的力流传递机理。
31.获得生理参数与矫形力回归方程；具体步骤为：招募多名青少年特发性脊柱侧弯患者，收集脊柱侧弯患者的生理参数，所述的生理参数包括年龄、性别、身高、体重、risser征等。
32.获取脊柱侧弯患者的cobb角变化情况；让脊柱侧弯患者佩戴检测矫形器，并在脊柱侧弯患者的各锥体位置粘贴标识点，在检测矫形器与脊柱侧弯患者躯干接触位置放置压力采集系统，逐渐增加检测矫形器束带束紧力，采集脊柱侧弯患者与检测矫形器接触位置的压力值，并使用高速摄像机拍摄脊柱侧弯患者的躯干变化图像；对躯干变化图像进行整理获得各标识点的变化情况，测量得到各标识点对应侧弯cobb角的值；将生理参数、压力值和cobb角进行分析拟合，得到生理参数与矫形力回归方程；获得矫形力
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位移函数关系；结合人体组织结构特点，利用弹性地基梁理论构建人体躯干简化模型，得出相应矫形力与位移的函数关系；根据矫形力的力流传递机理、生理参数与矫形力的回归方程以及矫形力-位移函数关系，确定矫形力位置和大小。
33.s2，矫形器个性化设计，构造矫形器三维模型，拓扑优化后进行3d打印；构建矫形器三维模型；根据确定的矫形力位置和大小，在脊柱侧弯躯干生物力学模型上拟合出矫形器轮廓曲线，进而构建出包含施力区与释放区的矫形器三维模型。
34.具体操作时，是在躯干有限元模型拟合出矫形器轮廓曲线，如图4所示，然后构建出包含施力区与释放区的矫形器三维模型，并为了验证是否符合预期效果，将矫形器三维模型在躯干有限元模型上进行模拟佩戴，如图5所示，分析受力情况。
35.拓扑优化；为达到轻量化、提高材料利用率及减轻模型质量等效果，利用拓扑优化对矫形器三维模型进行减材处理，得到优化后的矫形器三维模型。
36.具体是在满足矫形器的刚度要求条件下，基于各项正交惩罚密度法优化矫形器三维模型的重量和体积，得到优化后最佳材料分布的矫形器三维模型。
37.筛选矫形器的最佳打印材料；对pc、abs、尼龙等材料进行拉伸、压缩、扭转、弯曲、剪切、硬度等性能试验，对比分析各材料的强度、塑性、弹性、刚度、硬度、耐磨性等材料特性，得到最佳打印材料。
38.3d打印出矫形器；将优化后的矫形器三维模型连同最佳打印材料通过工程信息传输与交换传输到快速成型制造系统，运用3d打印技术进行远程快速加工制造。使用本发明制造出的脊柱侧弯矫正器如图6所示。
39.对打印的矫形器进行形状误差检测以及精度分析，使平均误差满足矫形器设计要求。
40.为检验和指导矫形效果，3d打印出矫形器后，让脊柱侧弯患者进行佩戴，如图7所示，并利用压力传感系统对日常活动下矫形器与躯干接触位置的接触压力采集，检测佩戴矫形器参与日常活动时接触压力是否满足矫形所需压力，若压力值变化较大，指导患者调整束带及垫片。
41.并让患者填写满意度评价表，对于满意度较低的患者收集患者的反馈意见进行矫形器修型及调整，并在患者佩戴矫形器过程中跟踪随访，达到最佳矫形效果。
42.本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
43.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。