一种个性化骨科固位夹板的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种个性化骨科固位夹板的制作方法，包括以下步骤：对患者的骨折处肢体表面进行受力分析得到受力分布情况，并受力分布情况在表面上生成若干镂空结构，其中受力值大的区域的镂空结构致密，受力值小的区域的镂空结构稀疏；然后将表面向外偏移预定厚度得到夹板模型，将夹板模型切割成两部分得到上夹板和下夹板，并对上夹板和下夹板均沿其表面自边缘向中心方向的预定距离内的镂空结构进行填充；分别在上夹板和下夹板上设置互相配合并用于可拆式连接固定上夹板和下夹板的连接件；将上夹板和下夹板的数据导入3D打印机进行打印，即完成固位夹板的制作。本发明制得的骨科固位夹板不但穿戴舒适，而且可方便拆卸换药、清洗等。
【专利说明】
一种个性化骨科固位夹板的制作方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种个性化骨科固位夹板的制作方法，属于固定件的成形和连接技术领域。
【背景技术】
[0002]骨折作为一种常见的运动系统创伤，发生频率和复杂程度正在逐年增加，对于骨折术后康复治疗的传统方法是将患者的骨折处通过石膏或者夹板等外固定支架进行固定。
[0003]石膏固定是对骨折患者进行固定的常见方法，石膏固定的优点是竖硬，不易变形松散。但由于石膏管型竖硬，与肢体贴合严密，所以难以适应肢体在创伤后的反应性肿胀，容易压迫肢体而出现许多并发症，如压迫性渍汤、压迫性神经瘫痪及血液循环障碍等，严重的可导致肢体坏死;另外，不适当的固定所造成的不利的力学环境旋转功能障碍，易出现筋膜间室综合征，骨折不愈合，可能导致再次移位等;而且石膏和水会起化学反应，逐步硬化并放出热量，这时患者会有灼热感，不利于清洁，并且石膏支架透气性差，夏天闷热难耐，冬天穿衣不便，皮肤会因为不透气导致表皮脱落等问题，因此舒适性很差。
[0004]夹板是临床治疗骨科骨折时应用的另一种外固定器材，在治疗骨伤科临床中占有不可取代的地位。其存在诸多优点:简单易掌握、应用便捷、取材方便、痛苦小、医疗费用较低等。
[0005]现有的个性化外固定夹板虽然已经能都实现数字化制造，但很多技术仍不完善。第一，现有技术中模型的透气孔构建技术无法结合患肢的受力要求，导致患者穿戴不适，容易导致二次移位;第二，现有技术的镂空结构往往很粗糙，过渡不均匀，既不美观又容易划伤皮肤和影响血液循环;第三，现有技术没有结合模型偏置算法使得夹板的固位作用达到最优位置。
【发明内容】
[0006]本发明要解决技术问题是:克服上述技术的缺点，提供一种穿戴舒适并可拆卸换药、清洗的骨科固位夹板的制作方法。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是:一种个性化骨科固位夹板的制作方法，包括以下步骤:
1)对患者骨折处进行扫描，得到患者骨折处的肢体表面；
2)对所述骨折处的肢体表面的预设受力点施加载荷，然后对所述骨折处的肢体表面进行受力分析，得到所述骨折处的肢体表面的受力分布情况，将受力值超过预设值的区域作为固位区域，并在所述固位区域生成三角网格；
3)根据步骤2)得到的所述表面的受力分布情况，在所述固位区域上生成若干镂空结构，其中受力值大的区域的镂空结构致密，受力值小的区域的镂空结构稀疏，从而得到镂空的固位区域；
4)将所述镂空的固位区域向外偏移预定厚度得到夹板模型，具体方法如下: 设需偏移的预定厚度为c/，所述镂空的固位区域的所有三角网格的顶点共有/3个，每个顶点的坐标依次为ri，r2，…A，每个顶点对应的单位法矢依次为/3 I ,/32,/33，…，
Hn ；
依次将顶点沿其对应的法矢方向/3 i向外移动距离C/，得到对应的偏置点Fi '=Y1 +/^句，所有的偏置点'记为偏置点集，0<i ;对所述偏置点集进行三角网格化得到偏置固位区域，并与所述镂空的固位区域共同形成封闭实体；
5)将所述夹板模型切割成两部分得到上夹板和下夹板，并对上夹板和下夹板均沿其表面自边缘向中心方向的预定距离L内的镂空结构进行填充；
6)分别在所述上夹板和下夹板上设置互相配合并用于可拆式连接固定上夹板和下夹板的连接件；
7)将所述上夹板和下夹板的数据导入3D打印机进行打印，即完成所述固位夹板的制作。
[0008]优选的，步骤2)所述固位区域的表面生成三角网格后，对三角网格进行细分/简化处理。
[0009]本发明带来的有益效果是:
(I)本发明制成的夹板生产迅速，而且是针对每位病人的特点一对一制作，有助于伤处更好的恢复，同时穿戴式的使用方式简单可靠。而且本发明制成的夹板只是一个支架，不会完全包裹患者骨折处，保证了透气性和轻便性。
[0010](2)本发明在实施时，对所述表面的预设受力点施加载荷得到所述表面的受力分布情况，这样不但可以准确确定固位区域，防止患者穿戴不适导致二次移位等，而且可以方便调整所述固位区域的镂空结构密度，受力大的区域镂空结构致密，从而保证夹板结构强度;受力小的区域镂空结构稀疏，从而保证夹板的轻质透气。所述预设受力点可按医学理论来指定，这样本发明可以结合准确的医学指导，得到更精确的固位区域以及更合理的镂空结构大小，可以保证夹板的面积最小，不但使患者穿戴舒适，而且可以在保证夹板结构强度的基础上最大可能的节省材料。
[0011](3)本发明将所述夹板模型切割成两部分得到上夹板和下夹板，并对上夹板和下夹板均沿其表面自边缘向中心方向的预定距离L内的镂空结构进行填充，这样可以避免已经生成的镂空结构影响所述上、下夹板的边缘，防止上夹板和下夹板因为镂空结构原因连接强度不够或者不方便连接等。
[0012](4)本发明将所述夹板模型切割成上夹板和下夹板，所述上夹板和下夹板通过连接件进行可拆式连接固定，既可以方便病人穿戴，又可以保证夹板的固位矫形作用。这样不但可以在整个治疗过程中方便换药，而且解决了常规连接方式(如螺钉螺母)中多余部件造成对皮肤的压力问题，影响血液循环。
[0013]上述技术方案的进一步改进是:步骤3)中基于poissondisk采样算法在所述表面上生成若干镂空结构，具体如下:对所述固位区域的所有顶点根据步骤2)得到的受力分布情况进行poisson disk采样得到若干采样点；然后根据步骤2)得到的受力分布情况通过Voronoi算法对所述固位区域的所有顶点基于所述采样点进行区域提取，将基于每一个采样点提取的区域边界上的顶点连接得到所需的若干镂空结构，即受力值大的区域的镂空结构致密，受力值小的区域的镂空结构稀疏。
[0014]在实施时，首先以所述表面的受力分布情况为约束进行不均匀采样得到采样点，采样点的密度体现受力的大小，然后采用Voronoi分割算法删去采样点形成的镂空结构区域，从而得到更精确合理的镂空结构位置和镂空结构大小，有效解决了现有技术的镂空结构去除技术无法迎合患肢的受力要求，导致患者穿戴不适，容易导致二次移位等问题。
[0015]由于采样点周围区域的三角网格顶点被删除，导致镂空结构周围顶点数据的原有拓扑结构发生了变化，比如出现突出于曲线的点和凹陷于曲线的点，这些点影响了镂空结构曲线的平滑度，既不美观又影响后续的制造，应当剔除。因此本发明进一步的改进是:对步骤3)生成的镂空结构基于Laplacian的网格边界重置方法进行二维光顺处理，其中基于Laplacian的网格边界重置方法进行二维光顺处理为现有技术，不再赘述。
[0016]上述技术方案的进一步改进是:对步骤4)得到的夹板模型基于曲率约束的光顺算法进行三维光顺，即从所述夹板模型中找到曲率大于预设曲率的区域作为刃口边缘区域，将所述刃口边缘区域应用拉普拉斯算子进行光顺处理。将所述刃口边缘区域应用拉普拉斯算子进行光顺处理也为现有技术，不再赘述。
[0017]上述技术方案的进一步改进是:步骤6)中所述连接件包括设置在所述上夹板和下夹板一端相互配合的键槽式锁扣连接件以及设置在所述上夹板和下夹板另一端相互配合的柔性连接件。
【附图说明】
[0018]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0019]图1是本发明实施例中固位区域表面上生成的镂空结构示意图。
[0020]图2是本发明实施例中镂空的固位区域向外偏移的方法示意图。
[0021]图3是本发明实施例中上夹板和下夹板向内偏移预定距离的示意图。
[0022]图4是本发明实施例中夹板模型进行三维光顺前的示意图。
[0023]图5是对图4二维光顺后的不意图。
[0024]图6是本发明实施例中上夹板的示意图。
[0025]图7是本发明实施例中下夹板的示意图。
[0026]图8是本发明实施例中的一种键槽式锁扣连接件的示意图。
[0027]图9是本发明实施例中的另一种键槽式锁扣连接件的示意图。
[0028]图10是本发明实施例中柔性连接件的示意图。
【具体实施方式】
实施例
[0029]本实施例的个性化骨科固位夹板的制作方法，包括以下步骤:
I)对患者骨折(以手腕为例说明)处进行扫描，得到患者骨折处的肢体表面。
[0030]本实施例对骨折处进行扫描时通过CT扫描获得二维图像数据进行三维模型重建结合光学扫描仪直接得到的原始三维模型，然后得到三维模型的表面即患者骨折处的肢体表面。当然也可以直接使用三维非接触扫描，或者采用CT等二维图像进行三维重建得到原始三维模型。
[0031]CT所得数据可以帮助运用医学理论更好地对患肢进行分析，但是它的曲面外形精度较低，而光学扫描仪所获的数据则大大弥补了这一缺点。
[0032]2)对所述表面的预设受力点施加外力，对所述表面进行有限元受力分析，得到所述表面的受力分布情况，将受力值超过预设值的区域作为固位区域，并在所述固位区域生成三角网格。
[0033]本实施例在得到患肢表面信息后，可结合医学理论指导给出预设的受力点，对患肢轮廓的曲面模型进行有限元力学分析，观察模型的受力情况，从而确定固位区域。
[0034]本实施例在所述固位区域的表面生成三角网格后，如果三角网格的顶点过于稀疏，则无法反映软组织的几何特征，那么重构出来的所述固位区域的表面与软组织的实际特征将有很大的区别；如果三角网格的顶点数过于细化，必然使所述固位区域的表面的三角面片的数量大幅增加，那么重构算法的计算量将大大增加。通过三角网格细分/简化算法，对模型进行细分/简化处理，一般当顶点数大于10万时对模型进行简化，顶点数小于10万时，对模型进行细分。三角网格的细分/简化算法为现有技术，不再赘述。
[0035]3)根据步骤2)得到的所述表面的受力分布情况，在所述固位区域上生成若干镂空结构，如图1所示，其中受力值大的区域的镂空结构致密，受力值小的区域的镂空结构稀疏，从而得到镂空的固位区域。
[0036]在所述固位区域上生成若干镂空结构有多种现有方法，比如直接根据有限元力学分析得到的受力分布结果按受力的比例生成镂空结构大小和镂空结构距离等，但该方法不能完全保证夹板结构强度以及轻质透气等。
[0037]因此本实施例优选以下方法:首先，基于有限元力学分析得到的受力分布结果，通过poisson disk采样算法对模型顶点采样并对采样点进行不均匀调整，镂空结构的大小不一反映了区域的受力大小。受力大的区域镂空结构致密，从而保证夹板结构强度;受力小的区域镂空结构稀疏，从而保证夹板的轻质透气。采样(S amp I i n g )指把时间域或空间域的连续量转化成离散量的过程。本发明中将采样点作为基础，选择他们周围一定去范围内的点一起删除，这就形成了我们想要的镂空结构效果。因此采样点决定了镂空结构的大小及密度，紧密影响夹板的结构外形。
[0038]本实施例对所述表面的所有顶点根据步骤2)得到的受力分布情况进行Poissondisk采样得到若干采样点，即对所述表面的所有顶点进行精简。Poisson disk采样算法为现有技术，可参考〈〈Efficient Generat1n of Poisson-Disk Sampling Patterns))(Journal of Graphics, GPU, and Game Tools,Volume 11，Issue 2，2006)等。
[0039]其次，本实施例中将采样点作为基础，基于有限元力学分析得到的受力分布结果，选择他们周围一定范围内的顶点一起删除，即通过Voronoi算法对所述表面所有顶点基于所述采样点进行区域提取，将基于每一个采样点提取的区域边界上的顶点连接得到所需的若干镂空结构，即受力值大的区域的镂空结构致密，从而保证夹板结构强度，受力值小的区域的镂空结构稀疏，从而保证夹板的轻质透气。因此采样点决定了镂空结构的大小及密度，紧密影响夹板的结构外形。Voronoi算法也为现有技术，可参考《基于Voronoi图的空间区域划分算法》(作者:董雪、刘润涛等，《哈尔滨商业大学学报:自然科学版》，2011，27(6):867-869) ο
[0040]需要说明的是:Poisson disk采样算法和Voronoi算法均为现有技术，但本实施例中将有限元力学分析得到的受力分布结果作为约束调整固位区域的镂空结构密度，从而使受力大的区域镂空结构致密，受力小的区域镂空结构稀疏，这是本发明的主要创新点之一，有效解决了现有技术的镂空结构去除技术无法迎合患肢的受力要求，导致患者穿戴不适，容易导致二次移位等问题。
[0041]4)如图2所示，将所述镂空的固位区域向外偏移预定厚度得到夹板模型，具体方法如下:
设需偏移的预定厚度为c/，所述镂空的固位区域的所有顶点共有/3个，每个顶点的坐标依次为h，r2，…，!^每个顶点对应的单位法矢依次为/3 I , η 2 , /33，…，心；
依次将顶点沿其对应的法矢方向/3 i向外移动距离c/，得到对应的偏置点Fi ' =Y1 +仿句，所有的偏置点H己为偏置点集r，={,ι，，ιν，ιν，...，ιν}，ο<? ^/3 ;对所述偏置点集进行三角网格化得到偏置固位区域，并与所述镂空的固位区域共同形成封闭实体。其中对所述偏置点集进行三角网格化时可采用泊松网格重建等现有算法。
[0042]5)如图6和图7所示，将所述夹板模型切割成两部分得到上夹板和下夹板，并对上夹板和下夹板均沿其表面自边缘向中心方向的预定距离L内的镂空结构进行填充，如图3所不O
[0043]将所述夹板模型切割成两个部分是为了便于后续的穿戴，而沿着上夹板和下夹板的表面向面内偏置一个距离L，是为了防止上述操作产生的透气孔影响上夹板和下夹板的边缘，避免断裂或者折断等现象发生。
[0044]6)分别在所述上夹板和下夹板上设置互相配合并用于可拆式连接固定上夹板和下夹板的连接件。
[0045]所述连接件优选设置在所述上夹板和下夹板一端相互配合的键槽式锁扣连接件(比如:如图8所示的梯形几何自锁连接件，或者图9所示的T型几何自锁连接件等)，以及设置在所述上夹板和下夹板另一端相互配合的柔性连接件(比如图10所示的弹性织物，或者其他柔性材料制成的连接件等)，这样既可以方便病人穿戴，在使用时仅需启闭键槽式锁扣连接件就能完成穿戴，又可以保证夹板的固位矫形作用。
[0046]7)将所述上夹板和下夹板的数据导入3D打印机进行打印，即完成所述固位夹板的制作。打印材料优选耐用生物塑料pla，pla可以打印成各种颜色，而且导热性很好，可以很好地吻合穿用者的身体外形。
[0047]当然打印完成后，可能还还需去除支撑并打磨表面等进一步的后续操作。
[0048]本实施例制成的夹板在穿戴时，可在夹板内表面添加衬垫，防止夹板过硬引起患者穿戴不适，衬垫材料应该选择对皮肤无伤害的材料。
[0049]本实施例还可以作以下改进:
(I)步骤3)中通过Poisson disk采样算法和Voronoi算法得到的镂空结构由于采样点周围区域的顶点被删除，导致镂空结构周围顶点数据的原有拓扑结构发生了变化，比如出现突出于曲线的点和凹陷于曲线的点，这些点严重影响镂空结构曲线的平滑度，既不美观又影响后续的制造，应当剔除。因此，对步骤3)生成的镂空结构基于Laplacian的网格边界重置方法进行二维光顺处理，其中基于Laplacian的网格边界算法进行二维光顺处理为现有技术，可参考《平移敏感的Laplacian网格编辑方法》(作者:叶梦、李峥、罗笑南，第十四届全国图象图形学学术会议，2008年5月16日)。
[0050](2)由于光学扫描仪本身的缺陷、被测患者骨折处的表面缺陷和人为的扰动等，使得生成的夹板模型往往混有很多不必要的噪声点，导致实物与夹板模型之间存在一定的偏差，从而使得重构曲面不光滑，所以需要对步骤4)得到的夹板模型进行去噪光顺处理。因此，对步骤4)得到的夹板模型基于曲率约束的光顺算法进行三维光顺，即从所述夹板模型中找到曲率大于预设曲率的区域作为刃口边缘区域，将所述刃口边缘区域应用拉普拉斯算子进行光顺处理，其结果如图4和图5所示。将所述刃口边缘区域应用拉普拉斯算子进行光顺处理也为现有技术，可参考《点云模型的光顺去噪研究》(作者:刘立国，浙江大学硕士论文，2007年)。
[0051]本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换形成的技术方案，均为本发明要求的保护范围。
【主权项】
1.一种个性化骨科固位夹板的制作方法，包括以下步骤: 1)对患者骨折处进行扫描，得到患者骨折处的肢体表面； 2)对所述骨折处的肢体表面的预设受力点施加载荷，然后对所述骨折处的肢体表面进行受力分析，得到所述骨折处的肢体表面的受力分布情况，将受力值超过预设值的区域作为固位区域，并在所述固位区域生成三角网格； 3)根据步骤2)得到的所述表面的受力分布情况，在所述固位区域上生成若干镂空结构，其中受力值大的区域的镂空结构致密，受力值小的区域的镂空结构稀疏，从而得到镂空的固位区域； 4)将所述镂空的固位区域向外偏移预定厚度得到夹板模型，具体方法如下: 设需偏移的预定厚度为c/，所述镂空的固位区域的所有三角网格的顶点共有/3个，每个顶点的坐标依次为Γι，Γ2，…A，每个顶点对应的单位法矢依次为/3 i , η 2 , η 3，...，ηπ., 依次将顶点Fi沿其对应的法矢方向/3 i向外移动距离c/，得到对应的偏置点Fi ' =Y1 +?.^/，所有的偏置点rr记为偏置点集，0<i ;对所述偏置点集进行三角网格化得到偏置固位区域，并与所述镂空的固位区域共同形成封闭实体； 5)将所述夹板模型切割成两部分得到上夹板和下夹板，并对上夹板和下夹板均沿其表面自边缘向中心方向的预定距离L内的镂空结构进行填充； 6)分别在所述上夹板和下夹板上设置互相配合并用于可拆式连接固定上夹板和下夹板的连接件； 7)将所述上夹板和下夹板的数据导入3D打印机进行打印，即完成所述固位夹板的制作。2.根据权利要求1所述的个性化骨科固位夹板的制作方法，其特征在于:步骤2)所述固位区域的表面生成三角网格后，对三角网格进行细分/简化处理。3.根据权利要求1所述的个性化骨科固位夹板的制作方法，其特征在于:步骤3)中基于poisson disk采样算法在所述表面上生成若干镂空结构，具体如下:对所述固位区域的所有顶点根据步骤2)得到的受力分布情况进行poisson disk采样得到若干采样点;然后根据步骤2)得到的受力分布情况通过Voronoi算法对所述固位区域的所有顶点基于所述采样点进行区域提取，将基于每一个采样点提取的区域边界上的顶点连接得到所需的若干镂空结构，即受力值大的区域的镂空结构致密，受力值小的区域的镂空结构稀疏。4.根据权利要求3所述的个性化骨科固位夹板的制作方法，其特征在于:对步骤3)生成的镂空结构基于Laplacian的网格边界重置方法进行二维光顺处理。5.根据权利要求1所述的个性化骨科固位夹板的制作方法，其特征在于:对步骤4)得到的夹板模型基于曲率约束的光顺算法进行三维光顺，具体如下:从所述夹板模型中找到曲率大于预设曲率的区域作为刃口边缘区域，将所述刃口边缘区域应用拉普拉斯算子进行光顺处理。6.根据权利要求1所述的个性化骨科固位夹板的制作方法，其特征在于:步骤6)中所述连接件包括设置在所述上夹板和下夹板一端相互配合的键槽式锁扣连接件，以及设置在所述上夹板和下夹板另一端相互配合的柔性连接件。7.根据权利要求1所述的个性化骨科固位夹板的制作方法，其特征在于:步骤7)使用生 物塑料PLA进行打印。
【文档编号】A61F5/058GK105963061SQ201610290326
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】戴宁, 李大伟, 崔海华, 葛志轩, 程筱胜
【申请人】南京航空航天大学