一种旋转卡紧式全膝置换胫骨托与胫骨垫片装配结构及实现方法与流程

本发明涉及手术用胫骨托与胫骨垫片，更具体地说，涉及一种个性化旋转卡紧式全膝置换胫骨托与胫骨垫片装配结构及实现方法。

背景技术：

全膝关节置换手术在全世界范围内每年都在快速的发展，并且成为治疗晚期骨性关节炎、类风湿性关节炎等疾病的最有效方法。然而术后出现的假体松动、伸屈和负重后出现的畸形、疼痛等并发症也引起了广大骨科医生的重视。

并且由于个体的差异性，量产的胫骨托与切骨截面的覆盖率不足，胫骨垫片与胫骨托的装配性不佳，都会影响手术的质量。

得益于计算机及数字技术的快速发展，数字化三维重建在医学上应用越来越广泛，3d打印技术在定制化小批量制造上优势使其在个性化医学中有广泛的应用前景。国内多位学者已将数字化重建和3d打印技术应用于骨科领域，但是仍缺乏针对个性化的胫骨托与胫骨垫片的有效装配结构。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中胫骨托与胫骨垫片不适用于个性化患者全膝关节手术的问题，提供一种可稳定性能良好、制作简易的旋转卡紧式全膝置换胫骨托与胫骨垫片装配结构及实现方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种旋转卡紧式全膝置换胫骨托与胫骨垫片装配结构，在胫骨托的上表面设有一固定圆槽和多个具有锁死机构的圆弧槽，所述固定圆槽设置在胫骨托上表面的中心位置，在胫骨托的下表面设有一定位骨柱；在胫骨垫片的下表面设有一固定圆柱和多个与圆弧槽匹配的圆弧体；装配时，首先将胫骨垫片上的固定圆柱对准胫骨托的固定圆槽向下压入，使胫骨托与胫骨垫片完全贴合，然后扭动胫骨垫片，使圆弧体在圆弧槽内旋转，并且边界完全重合，此时圆弧槽及圆弧体上的锁死机构生效，胫骨垫片与胫骨托完全固定。

作为优选的技术方案，所述圆弧槽为三个，其中一个圆弧槽设置在胫骨托的正前方，另外两个圆弧槽设置在胫骨托的左右两侧；所述圆弧体为三个，其中一个圆弧体设置在胫骨垫片下表面的正前方，另外两个圆弧体设置在胫骨垫片下表面的左右两侧。

作为优选的技术方案，所述固定圆槽圆心与定位骨柱圆心位于同一竖直方向，且固定圆槽的深度与定位骨柱高度相同，固定圆槽半径与定位骨柱半径相同；

所述圆弧槽的深度与固定圆槽的深度相同；所述圆弧槽的深度也与圆弧体的高度相同，且所述圆弧槽与圆弧体起点位于同一直线，圆弧体角度不超过圆弧槽角度的一半。

作为优选的技术方案，所述胫骨托下表明设有用于定位和固定的导柱；所述导柱包括一大二小三个圆柱体，大圆柱体具有一定拔模斜度，位于胫骨托下表面中心，小圆柱体分列在大圆柱体左右，三者通过肋板连接。

作为优选的技术方案，所述胫骨托上的圆弧槽以固定圆槽为中心均匀排列，圆弧槽的弧长和圆弧角相同。

本发明还提供了一种旋转卡紧式全膝置换胫骨托与胫骨垫片装配结构的实现方法，包括下述步骤：

s1、基于患者膝关节的胫骨截骨医学影像数据建立三维数字化的胫骨模型，预先获取患者膝关节ct或mri断层扫描图像，随后，通过解剖工程重建软件导入该ct或mri断层扫描图像，根据骨与软组织具有不同灰度值的特征，进行图像分割和修补，计算获得三维数字化的胫骨模型，并存储备用；

s2、将模型导入设计软件，将胫骨截骨面设为基准面，利用剖面曲线功能得到截骨截面轮廓数据，将数据参数化以便进行编辑

s3、根据截面数据，设计胫骨托部位的装配结构；

s4、在胫骨托底部设计辅助定位和固定的导柱；所述导柱包括一大二小三个圆柱体组成，大圆柱体具有一定拔模斜度，位于骨托下表面中心，小圆柱体分列在大圆柱体左右，三者通过肋板连接；

s5、对应胫骨托，在胫骨垫片设计相应的装配结构；

s6、根据截骨数据，设计胫骨垫片上端；

s7、利用快速成型技术制作出实体的旋转卡紧式全膝置换胫骨托与胫骨垫片装配结构装置。

作为优选的技术方案，步骤s1中，采用的解剖工程重建软件为mimics17.0，因此预先将获取的患者膝关节ct或mri断层扫描图像以dicom格式保存，随后将其导入医学影像软件mimics17.0中，进行三维重建后获得三维数字化的胫骨模型，以stl格式存储备用。

作为优选的技术方案，步骤s3具体为：

s31、将参数化的曲线拉伸成胫骨托初始形状，高度为4-6mm；

s32、将截骨切面作为基准面，进入草图绘制功能，找到胫骨截面内腔中心，画半径为3-5mm的圆，拉伸成柱体，在胫骨托上表面形成圆槽，深度为1.8-2mm；

s33、同样以截骨切面为基准面，固定圆槽中心为圆心，在草图中，分别在胫骨托前方和左右两方向绘制出小圆弧半径距边界4.5-5mm，大圆弧半径距边界1.5-2mm的角度为43-45度的两段圆弧，将三个方向的双圆弧拉伸成体，在胫骨托上表面形成圆弧槽深度与固定圆槽相同；

s34、同样以截骨切面为基准面，固定圆槽中心为圆心，在草图中，同样在胫骨托前方和左右方向绘制出起点相同，小圆弧半径距边界为3-3.5mm，最大半径与同心圆弧槽相同，角度为21-22度的双圆弧，拉伸成高度为圆槽深度一半的体，最后对体的下表面进行两次不同方向的拔模，使中间凸起，两边凹陷，拔模度为1-3度，最后将体与胫骨托上表面合并。

作为优选的技术方案，步骤s4，具体为：

s41、以胫骨托下表面为基准面，圆槽中心为圆心，画半径为5-8mm的圆，拉伸成体，高度为25-30mm，进行拔模，斜度为3-4度，与胫骨托合并；

s42、同样以下表面为基准面，在距大圆柱体20-25mm的左右，分别绘制一个半径为2.5-3mm的小圆，拉伸成体，高度为6-8mm，将大小圆柱体用肋板连接，与胫骨托合并。

作为优选的技术方案，步骤s5具体为：

s51、将参数化的曲线拉伸成胫骨垫片初始形状，高度为6-8mm；

s52、将胫骨垫片下表面作为基准面，进入草图绘制功能，以圆槽圆心为圆心，画半径为相同的圆，拉伸成柱体，高度与圆槽深度相同，与胫骨垫片下表面合并；

s53、同样以胫骨垫片下表面为基准面，圆槽中心为圆心，在草图中，分别在胫骨托前方和左右两方向绘制出起点与圆弧槽相同、小圆弧半径比胫骨托圆弧槽最小半径大0.1-0.2mm、大圆弧半径比胫骨托圆弧槽最大半径小0.1-0.2mm、角度为20-21度的两段圆弧，将三个方向的双圆弧拉伸成体，高度与圆槽深度相同，同样与胫骨垫片下表面合并；

s53、同样以胫骨垫片下表面为基准面，圆槽中心为圆心，在草图中，同样在胫骨托前方和左右方向绘制出起点相同，小圆弧半径比锁死机构小圆弧半径小0.1-0.2mm，大圆弧半径与圆弧体大半径相同，角度为20-21度的双圆弧，拉伸成高度与胫骨托锁死机构高度相同的体，最后对体的下表面进行两次不同方向的拔模，使中间凸起，两边凹陷，拔模度与胫骨托锁死机构相同，最后将体与胫骨托上表面相减。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供了一种定制化的旋转卡紧式全膝置换胫骨托与胫骨垫片装配结构，可以快速、方便的提高全膝关节假体的稳定性和全膝关节手术的质量。

2、采用本发明的旋转卡紧式装配结构制作的全膝置换胫骨托与胫骨垫片装置，能针对不同患者的个性化需求，提高假体的寿命，实现“私人定制”手术。

3、本发明可以缩短外科医生的学习曲线，使年轻医生也能利用采用本发明提供的旋转卡紧式装配结构制作的全膝置换胫骨托与胫骨垫片装置快速掌握技术、实施手术。

附图说明

图1为采用旋转卡紧式结构装配后的全膝置换胫骨托与胫骨垫片的正三轴测图；

图2(a)和2(b)为旋转卡紧式全膝置换胫骨托与胫骨垫片装配结构的装配示意图；

图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为根据本发明的旋转卡紧式装配结构制作的全膝置换胫骨托装置的主视图、侧视图以及俯视图；

图4(a)、图4(b)、图4(c)分别为根据本发明的旋转卡紧式装配结构制作的全膝置换胫骨垫片装置的主视图、侧视图以及仰视图；

图5为根据本发明的旋转卡紧式装配结构制作全膝置换胫骨托与胫骨垫片装置流程图。

附图标号说明：1、固定圆柱；2、圆弧体；3、固定圆槽；4、圆弧槽；5、定位骨柱。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图3(a)-图3(c)及图4(a)-图4(c)所示，本实施例旋转卡紧式全膝置换胫骨托与胫骨垫片装配结构，具有为：

1)、在胫骨垫片下表面(即与胫骨托接触面)，有一个固定圆柱1；

2)、在胫骨垫片下表面(即与胫骨托接触面)，有三个具有锁死机构的圆弧体2，三个圆弧体2分别位于胫骨垫片正前方以及左右两方向；

3)，在胫骨托上表面(即与胫骨垫片接触面)有一个固定圆槽3；

4)、在胫骨托上表面(即与胫骨垫片接触面)，有三个具有锁死机构的圆弧槽4，该三个圆弧槽4分别位于胫骨托正前方以及左右两方向；

5)、在胫骨胫骨托下表面，有一个定位骨柱5；。

如图2(a)、图2(b)所示，装配时，按照下述两步进行操作：

第一步：将胫骨垫片上的固定圆柱1对准胫骨托的固定圆槽3向下压入，使胫骨托与胫骨垫片完全贴合，

第二部：扭动胫骨垫片，使圆弧体2在圆弧槽4内旋转，并且边界完全重合，此时圆弧槽4及圆弧体2上的锁死机构生效，胫骨垫片与胫骨托完全固定。

其中，定位骨柱5在装配时插入患者胫骨内。

本实施例中，所述固定圆槽3圆心与定位骨柱1圆心位于同一竖直方向，在装配时起辅助垫片定位以及防止垫片水平方向移动的作用。

所述圆弧槽4分别位于胫骨托的正前方和左右两个方向，使垫片在旋转装配后无法在旋转移动，提高胫骨托与胫骨垫片装配的稳定性。

为了固定更加稳固，固定圆柱1需与胫骨托固定圆槽3完美贴合，同样圆弧体2上锁死机构也需与圆弧槽4上锁死机构完美贴合。故，在圆弧体与圆弧槽上设置有锁死机构，锁死机构互相吻合，具有防止胫骨垫片移动错位的作用。

所述固定圆槽3圆心与定位骨柱5圆心位于同一竖直方向，且固定圆槽3的深度与定位骨柱5高度相同，固定圆槽3半径与定位骨柱5半径相同；

所述圆弧槽4的深度与固定圆槽1的深度相同；所述圆弧槽4的深度也与圆弧体2的高度相同，且所述圆弧槽与圆弧体起点位于同一直线，圆弧体角度不超过圆弧槽角度的一半。

如图5所示，为根据本发明的旋转卡紧式装配结构制作的全膝置换胫骨托与胫骨垫片装置的流程图。采用本发明提供的旋转卡紧式装配结构制作的全膝置换胫骨托与胫骨垫片装置可以采用图5的流程图获得。图5中，本发明提供的旋转卡紧式装配结构制作的全膝置换胫骨托与胫骨垫片装置包括以下步骤：

s1、基于患者膝关节的胫骨截骨医学影像数据建立三维数字化的胫骨模型。

具体地，需要预先获取患者膝关节ct或mri断层扫描图像。随后，通过解剖工程重建软件导入该ct或mri断层扫描图像，根据骨与软组织具有不同灰度值的特征，进行图像分割和修补，计算获得三维数字化的胫骨模型，并存储备用。本发明中所采用的解剖工程重建软件可以为mimics17.0或者其它同类型软件。在本发明的一个优选实施例中，基于mimics17.0实现该步骤，因此预先将获取的患者膝关节ct或mri断层扫描图像以dicom格式保存，随后将其导入医学影像软件mimics17.0中，进行三维重建后获得三维数字化的胫骨模型，以stl格式存储备用。

s2、将模型导入设计软件，将胫骨截骨面设为基准面，利用剖面曲线功能得到截骨截面轮廓数据，将数据参数化以便进行编辑。本发明中所采用的设计软件为ug_nx10或者其他同类型软件。

具体地，该步骤s2可以进一步通过以下步骤实现：

s21、通过设计软件ug_nx10导入以stl格式保存的胫骨模型后，使用移动对象功能，使截骨切面与基准面重合，将截骨切面设为基准面。

s22、利用剖面曲线功能，得到截骨切面的剖面曲线，将剖面曲线拟合成参数化曲线，以便进行下一步的编辑。

s3、根据截面数据，设计胫骨托部位的装配结构。具体地，该步骤s3可以进一步通过以下步骤实现：

s31、将参数化的曲线拉伸成胫骨托初始形状，高度为4-6mm；

s32、将截骨切面作为基准面，进入草图绘制功能，找到胫骨截面内腔中心，画半径为3-5mm的圆，拉伸成柱体，在胫骨托上表面形成圆槽，深度为1.8-2mm；

s33、同样以截骨切面为基准面，圆槽中心为圆心，在草图中，分别在胫骨托前方和左右两方向绘制出小圆弧半径距边界4.5-5mm，大圆弧半径距边界1.5-2mm的角度为43-45度的两段圆弧，将三个方向的双圆弧拉伸成体，在胫骨托上表面形成圆弧槽深度与圆槽相同；

s34、同样以截骨切面为基准面，圆槽中心为圆心，在草图中，同样在胫骨托前方和左右方向绘制出起点相同，小圆弧半径距边界为3-3.5mm，最大半径与同心圆弧槽相同，角度为21-22度的双圆弧，拉伸成高度为圆槽深度一半的体，最后对体的下表面进行两次不同方向的拔模，使中间凸起，两边凹陷，拔模度为1-3度，最后将体与胫骨托上表面合并。

s4、在胫骨托底部设计辅助定位和固定的导柱；所述导柱包括一大二小三个圆柱体组成，大圆柱体具有一定拔模斜度，位于骨托下表面中心，小圆柱体分列在大圆柱体左右，三者通过肋板连接。具体地，该步骤s4可以进一步通过以下步骤实现：

s41、以胫骨托下表面为基准面，圆槽中心为圆心，画半径为5-8mm的圆，拉伸成体，高度为25-30mm，进行拔模，斜度为3-4度，与胫骨托合并；

s42、同样以下表面为基准面，在距大圆柱体20-25mm的左右，分别绘制一个半径为2.5-3mm的小圆，拉伸成体，高度为6-8mm，将大小圆柱体用肋板连接，与胫骨托合并。

s5、对应胫骨托，在胫骨垫片设计相应的装配结构。具体地，该步骤s5可以进一步通过以下步骤实现：

s51、将参数化的曲线拉伸成胫骨垫片初始形状，高度为6-8mm；

s52、将垫片下表面作为基准面，进入草图绘制功能，以圆槽圆心为圆心，画半径为相同的圆，拉伸成柱体，高度与圆槽深度相同，与垫片下表面合并；

s53、同样以垫片下表面为基准面，圆槽中心为圆心，在草图中，分别在胫骨托前方和左右两方向绘制出起点与圆弧槽相同、小圆弧半径比胫骨托圆弧槽最小半径大0.1-0.2mm、大圆弧半径比胫骨托圆弧槽最大半径小0.1-0.2mm、角度为20-21度的两段圆弧，将三个方向的双圆弧拉伸成体，高度与圆槽深度相同，同样与垫片下表面合并；

s54、同样以垫片下表面为基准面，圆槽中心为圆心，在草图中，同样在胫骨托前方和左右方向绘制出起点相同，小圆弧半径比锁死机构小圆弧半径小0.1-0.2mm，大圆弧半径与圆弧体大半径相同。角度为20-21度的双圆弧，拉伸成高度与胫骨托锁死机构高度相同的体，最后对体的下表面进行两次不同方向的拔模，使中间凸起，两边凹陷，拔模度与胫骨托锁死机构相同，最后将体与胫骨托上表面相减。

s6、根据截骨数据，设计胫骨垫片上端(与假体接触部分)。

s7、利用快速成型技术制作出实体的旋转卡紧式全膝置换胫骨托与胫骨垫片装配结构装置。例如，采用光选区烧结打印可消毒塑料或者激光选区熔化打印不锈钢等金属材料。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。