一种骨关节面重建3d打印修复植入体的方法
【专利摘要】本发明提出了一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，先进行骨关节模型的三维重建，之后骨关节缺损的虚拟复位重建、骨关节缺损区修复植入体的逆向设计、骨关节缺损修复植入体的3D打印成形，其中，利用建模软件将健侧骨关节三维模型通过矢状面对称的方式镜像复制至患侧，得到患侧骨折发生前的完整结构参考模型，利用3D打印前处理软件对模型进行支撑生成，并选择相应的成形材料和快速成型工艺完成3D打印，进一步去除植入体的支撑结构，最终得到个性化的骨关节重建修复植入体。本发明根据人体对称性形态结构进行个性化逆向设计，结合3D打印技术实现骨关节面缺损修复植入体的快速成型，不仅能大大提高骨关节缺损修复重建效果，同时有效地提高了植入体设计制造的效率，减少了成本，实现了定制化设计和个性化治疗。
【专利说明】
一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法
技术领域
[0001]本发明涉及骨关节损伤临床修复重建和植入式医疗器械研发技术领域，尤其是涉及一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法。【背景技术】
[0002]精准的关节面重建是治疗关节内骨折的关键因素。目前，临床上对骨折的分型多采用国际通用的A0分型方法。A0分型将关节内骨折分为B型和C型，其中B型为部分关节内骨折，C型为完全关节内骨折，这两种关节内骨折类型均累及骨关节面，在这基础上根据关节面的粉碎程度可进一步分为多个亚型。无论何种分型，对于关节内骨折，恢复关节面完整是临床上关节内骨折治疗最为重要的基本原则。在骨折的治疗过程中，通过手术切开显露关节面，实现关节内骨折块的解剖复位和绝对稳定是手术治疗的基本要求。对于一般的关节内骨折，通过采用切开复位螺钉钢板内固定的方式可获得关节面的重建和坚强固定。然而， 对于高能量暴力作用下的损伤类型，临床上的关节内骨折往往容易伴有骨折块的严重粉碎和压缩，使得精准的解剖复位和坚强固定均难以实现。为此，为获得平整的关节面重建效果，临床上常常需要移除严重粉碎且难以获得有效固定的关节面微小骨块，从而利用其他主要骨块重新构建平整的关节面。然而该方法虽然有效地避免了术后关节面出现的“台阶样”形态，但也不可避免地带来了其他问题:一方面，在移除粉碎性微小骨块后留下来的间隙中，间隙两侧的主要骨折块在曲面轮廓上无法达到很好的光滑曲面过渡，在一定程度上仍然可能存在部分位置的解剖不匹配，造成该区域局部关节面的不平整；另一方面，即便上述间隙可获得平滑的曲面过渡，但形态改变后的关节面已经失去了和对侧的关节面原有的良好配合关系，这一非匹配状态可造成关节运动轨迹的改变，从而导致创伤性骨关节炎的发生;再者，上述关节缺损重建方法还将不可避免的导致术后关节接触面积的减小，由此产生的局部应力集中将造成关节软骨的退行性改变和破坏。[〇〇〇3]在这种情况下，基于个性化植入体的修复重建方法可为关节面的精准重建提供了最优化的解决方案。然而，如何实现个性化修复重建植入体的建模设计和成型制造是解决关节面修复重建的关键环节。为此，如何综合运用医学影像和工程技术方法来进行个性化植入体的设计和制造，仍是当前骨关节面损伤修复重建治疗所面临的主要技术难题。针对这一现状，实现一种个性化骨关节面重建3D打印修复植入体的设计与成型方法以克服现有技术不足甚为必要。
【发明内容】
[0004]本发明提出一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，解决传统关节内骨折修复重建方法难以达到的个性化和精准化问题，实现关节面高度还原，个性化解剖形态匹配， 并且制造快速灵活。
[0005]本发明的技术方案是这样实现的:
[0006]一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，包括如下步骤:
[0007]①采集关节内骨折患者双侧肢体的计算机断层成像数据，根据所获得的断层成像数据，建立双侧骨关节的三维模型；
[0008]②利用医学建模软件的仿真功能模块，将上述建立的健侧骨关节三维模型通过矢状面对称的方式镜像复制至患侧，得到患侧骨折发生前的完整结构参考模型，分别导出为 STL文件；
[0009]③将上述两组STL模型导入逆向工程软件中，以完整结构的关节镜像模型为基准， 将患侧较大的主要关节骨折块进行三维空间配准，同时移除无法配准和复位的微小骨折块，组装形成带部分缺损的复位后骨关节模型；
[0010]④在逆向工程软件中将上述复位后的骨关节模型与完整结构的关节镜像模型再次进行三维空间配准，检查确认两组模型匹配情况满意后，采用软件布尔操作把完整镜像模型减去复位后关节缺损模型，获得缺损区形态模型；
[0011]⑤对步骤④中缺损区形态模型周边残余结构修剪，即获得个性化关节面重建修复植入体模型；根据不同部位骨关节缺损修复的实际情况，在植入体模型上增加附加的机械特征结构，完成植入体定型设计，输出STL格式文件保存；
[0012]⑥将上述步骤⑤中获得的植入体模型STL文件导入到3D打印成形设备中，利用3D 打印前处理软件对模型进行支撑生成，并选择相应的成形材料和快速成型工艺完成3D打印，进一步去除植入体的支撑结构，最终得到个性化的骨关节重建修复植入体。
[0013]进一步，所述步骤①中，目标骨关节断层影像数据可通过CT扫描、MRI扫描或 micro-CT扫描等成像设备获取。[〇〇14] 进一步，所述步骤①中，所采用的三维重建软件为Mimics、Simpleware或3D-doctor，三维模型保存文件为STL、IGES或IGS。[0〇15] 进一步，所述步骤③中，骨关节缺损的虚拟复位在Mimics、Simpleware或3D-doctor医学建模软件中完成。
[0016]进一步，所述步骤③中，三维空间配准操在Geomagic stud1、CopyCAD、Imageware 或RapidForm中完成。
[0017]进一步，所述步骤⑤中，附加的机械特征结构包括固定钉孔结构、镂空结构、多孔结构以及粗糙表面微结构。
[0018]进一步，所述步骤⑥中，成形材料为聚醚醚酮、羟基磷灰石或硫酸钙。
[0019]进一步，所述步骤⑥中，成型工艺包括电子束熔融、选择性激光烧结以及三维印刷工艺。
[0020]采用了上述技术方案，本发明的有益效果为:
[0021](1)本发明对关节面重建修复植入体的设计上采用了患者肢体的CT/MRI断层影像数据作为三维重建的基础，数据来源可靠且容易获取，可在基层医疗机构实施；[〇〇22](2)本发明采用的逆向工程技术建模，充分利用人体镜像对称原理，以计算机三维空间配准技术获得术前精确的缺损区域形态模型，且模型具有高度的个性化解剖匹配度的优点，在不减小关节接触面积的情况下，使缺损区完全恢复伤前的关节面形态；
[0023](3)本发明设计的个性化植入体具有高度不规则的曲面，传统机床加工难以通过切削来完成植入体成型制造，而直接利用3D打印成形的方法可实现植入体的直接成型，节省时间成本的同时还克服了传统制造技术高成本、工序繁琐和复杂结构难以制造等不足。【附图说明】
[0024]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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0〇25]图1是本发明的实施流程不意图；
[0026]图2是本发明实施例中构建双侧肱骨三维模型的过程示意图；
[0027]图3是本发明实施例中进行健侧肱骨镜像建模、患侧骨折三维空间配准和骨折虚拟复位过程示意图；
[0028]图4是本发明实施例中对肱骨关节面缺损区形态学逆向重建操作示意图；
[0029]图5是本发明在实施例中利用3D打印完成植入体的成型并模拟植入重建肱骨远端关节面缺损区的效果图。【具体实施方式】
[0030]下面将结合本发明实施例中的附图1至附图5,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作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。
[0031]实施例1:
[0032]一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，包括如下步骤:[〇〇33](1)骨关节模型的三维重建
[0034]采集关节内骨折患者双侧肢体的计算机断层成像数据，根据所得的断层成像 Dicom格式数据，进一步导入医学三维重建软件建立双侧骨关节的三维模型。[〇〇35](2)骨关节缺损的虚拟复位重建
[0036]根据人体解剖结构的对称性形态特点，利用医学建模软件的仿真功能模块，将上述步骤(1)中建立的健侧骨关节三维模型通过矢状面对称的方式镜像复制至患侧，得到患侧骨折发生前的完整结构参考模型，分别导出为STL文件；
[0037]将上述两组STL模型导入逆向工程软件中，以完整结构的关节镜像模型为基准，将患侧较大的主要关节骨折块进行三维空间配准，同时移除无法配准和复位的微小骨折块， 组装形成带部分缺损的复位后骨关节模型。[〇〇38](3)骨关节缺损区修复植入体的逆向设计
[0039]在逆向工程软件中将上述步骤(2)中获得的复位后的关节缺损模型与完整结构的关节镜像模型再次进行三维空间配准，检查确认两组模型匹配情况满意后，采用软件布尔操作把完整镜像模型减去复位后关节缺损模型，从而获得缺损区形态模型。
[0040]进一步对模型周边残余结构修剪，即可获得个性化关节面重建修复植入体模型。 至此，可进一步根据不同部位骨关节缺损修复的实际情况，在植入体模型上增加固定钉孔等特征结构，最终完成植入体定型设计，输出为STL文件格式保存。[0041 ](4)骨关节缺损修复植入体的3D打印成形
[0042]将上述步骤(3)中获得的植入体模型STL文件导入到相应的3D打印成形设备中，利用3D打印前处理软件对模型进行支撑生成并选择相应的成形材料和快速成型技术完成3D 打印，进一步去除植入体的支撑结构，最终得到个性化的骨关节重建修复植入体。
[0043]上述步骤(1)中，目标骨关节断层影像数据可通过CT扫描、MRI扫描或micro-CT扫描等成像设备获取，医学三维重建软件可以是现有商业化的医学三维重建软件如Mimics、 Simpleware、3D-doctor等，或是由不同研究机构自行编写开发的各种医学三维重建软件。 此步骤建立的三维模型保存文件可以是STL、IGES或IGS。
[0044]上述步骤(2)中，骨关节缺损的虚拟复位可在多种类型的医学建模软件中完成，包括Mimics、Simpleware、3D-doctor等，或是由不同研究机构自行编写开发的带仿真功能模块的各种医学三维重建软件;步骤(2)中的三维空间配准操作可以在常见的逆向工程软件中完成，如Geomagic stud1、CopyCAD、Imageware及RapidForm等。
[0045]上述步骤(3)中，三维空间配准和布尔操作可在多种逆向工程软件中实施，也可在带有布尔操作的三维建模软件中实施;此外，在步骤(3)所述的植入体模型基础上，可采用常见CAD软件为植入体主体增加各种机械特征的附加结构设计，如固定钉孔结构、镂空结构、多孔结构以及粗糙表面微结构等，最终植入体的结构并不局限于原有的单一主体结构。 [〇〇46]上述的步骤(4)中，获得的植入体模型STL可导入到3D打印设备配套的前处理软件中进行支撑生成，或导入到通用的3D打印前处理软件中生成打印支撑;植入体的3D打印可采用不同的医用植入材料，如聚醚醚酮、羟基磷灰石、硫酸钙和其他生物材料或可植入金属材料;打印工艺可根据打印材料选择不同的3D打印工艺，如电子束熔融、选择性激光烧结和三维印刷等工艺，植入体的成型并不局限于某一种材料和工艺。
[0047]本发明采用的方法思路，主要体现在关节面修复植入体的设计和成型两个主要方面。相比之下，传统关节粉碎性骨折的修复方式多采用去除关节内细小的游离骨折块后再行复位内固定，所获得的关节面并未能真正还原原有关节曲面形态。即便是采用植入体修复的方法，由于车床切削和模具成形技术固有的局限性，传统重建方法在个性化植入体的设计和制造方面均难以实施。而本方法基于个性化形态学重建思路，首先建立起双侧肢体关节的三维模型，以健侧关节结构作为复位和重建的参考，采用逆向工程技术进行个性化植入体的设计，进一步利用3D打印方法对植入体以相应的材料打印成形，突破了传统设计和制造技术的限制，可广泛用于各个部位的骨关节损伤的修复重建。
[0048]下面以一具体的肱骨远端关节面粉碎性骨折修复重建的实施例对本发明的个性化骨关节面重建3D打印修复植入体的设计与成型方法进行说明，本发明方法通过如下步骤进行的:[〇〇49](1)双侧肱骨骨关节模型的三维重建
[0050]图1为本发明实施流程图。在本实施示例中，采集一例临床上确诊为肱骨远端粉碎性骨折患者的双侧肱骨计算机断层成像数据，根据所获得的断层成像Dicom格式数据，进一步导入医学三维重建软件建立健侧和患侧肱骨粉碎性骨折的三维模型，如图2所示，其中左侧健侧肱骨，右侧为患侧肱骨。[0051 ](2)患侧肱骨远端骨折关节缺损的虚拟复位重建[〇〇52]根据人体解剖结构的对称性形态特点，利用医学建模软件的仿真功能模块，将上述步骤(1)中建立的健侧肱骨三维模型通过矢状面对称的方式镜像复制至患侧，得到患侧骨折发生前的完整结构参考模型，分别导出为STL文件;将上述两组STL模型导入逆向工程软件中，以完整结构的肱骨远端关节镜像模型为基准，将患侧较大的主要关节骨折块进行三维空间配准，同时移除无法配准和复位的微小骨折块，组装形成带部分缺损的复位后骨关节模型，如图3所示。
[0053](3)肱骨远端关节面缺损区修复植入体的逆向设计
[0054]在逆向工程软件中将上述步骤(2)中获得的复位后的肱骨远端关节面缺损模型与完整结构的关节镜像模型再次进行三维空间配准，检查确认两组模型匹配情况满意后，采用软件布尔操作把完整镜像模型减去复位后关节缺损模型，从而获得缺损区形态模型。进一步对模型周边残余结构修剪，即可获得个性化关节面重建修复植入体模型，输出为STL文件格式保存，过程如图4所示。
[0055](4)肱骨远端关节面缺损修复重建植入体的3D打印成形[〇〇56]将上述步骤(3)中获得的植入体模型STL文件导入到相应的3D打印成形设备中，利用3D打印前处理软件对模型进行支撑生成并选择相应的成形材料和快速成型技术完成3D 打印，进一步去除植入体的支撑结构，最终得到个性化的肱骨远端关节面重建修复植入体， 打印的植入体模拟植入效果如图5所示。
[0057]将上述个性化骨关节面重建3D打印修复植入体的设计与成型方法获得的植入体进行肱骨远端关节内粉碎性骨折术前模拟重建和内固定，相比以往传统的关节面外科重建方法，可以获得更为符合患者原有解剖形态的肱骨远端关节面，从而实现关节内骨折的个性化和精准化治疗。[〇〇58]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，其特征在于，包括如下步骤:①采集关节内骨折患者双侧肢体的计算机断层成像数据，根据所获得的断层成像数 据，建立双侧骨关节的三维模型；②利用医学建模软件的仿真功能模块，将上述建立的健侧骨关节三维模型通过矢状面 对称的方式镜像复制至患侧，得到患侧骨折发生前的完整结构参考模型，分别导出为STL文 件；③将上述两组STL模型导入逆向工程软件中，以完整结构的关节镜像模型为基准，将患 侧较大的主要关节骨折块进行三维空间配准，同时移除无法配准和复位的微小骨折块，组 装形成带部分缺损的复位后骨关节模型；④在逆向工程软件中将上述复位后的骨关节模型与完整结构的关节镜像模型再次进 行三维空间配准，检查确认两组模型匹配情况满意后，采用软件布尔操作把完整镜像模型 减去复位后关节缺损模型，获得缺损区形态模型；⑤对步骤④中缺损区形态模型周边残余结构修剪，即获得个性化关节面重建修复植入 体模型;根据不同部位骨关节缺损修复的实际情况，在植入体模型上增加附加的机械特征 结构，完成植入体定型设计，输出STL格式文件保存；⑥将上述步骤⑤中获得的植入体模型STL文件导入到3D打印成形设备中，利用3D打印 前处理软件对模型进行支撑生成，并选择相应的成形材料和快速成型工艺完成3D打印，进 一步去除植入体的支撑结构，最终得到个性化的骨关节重建修复植入体。2.根据权利要求1所述的一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，其特征在于:所 述步骤①中，目标骨关节断层影像数据可通过CT扫描、MRI扫描或micro-CT扫描等成像设备 获取。3.根据权利要求1所述的一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，其特征在于:所 述步骤①中，所采用的三维重建软件为組111；[〇8、5；[11^|16￥3代或30-(1〇〇1:〇1'，三维模型保存文 件为 STL、IGES 或 IGS。4.根据权利要求1所述的一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，其特征在于:所 述步骤③中，骨关节缺损的虚拟复位在Mimics、Simpleware或3D-doctor医学建模软件中完 成。5.根据权利要求1所述的一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，其特征在于:所 述步骤③中，三维空间配准操在Geomagic stud1、CopyCAD、Imageware或RapidForm中完 成。6.根据权利要求1所述的一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，其特征在于:所 述步骤⑤中，附加的机械特征结构包括固定钉孔结构、镂空结构、多孔结构以及粗糙表面微结构。7.根据权利要求1所述的一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，其特征在于:所 述步骤⑥中，成形材料为聚醚醚酮、羟基磷灰石或硫酸钙。8.根据权利要求1所述的一种骨关节面重建3D打印修复植入体的方法，其特征在于:所 述步骤⑥中，成型工艺包括电子束熔融、选择性激光烧结以及三维印刷工艺。
【文档编号】A61F2/28GK106073870SQ201610373087
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】黄文华, 欧阳汉斌, 邓羽平, 谢普生, 廖政文
【申请人】南方医科大学