CN103860294A - 一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统及方法，其通过异地设置的三个工作站，将医生、设计人员和工程人员联系在一起，并融合图像处理技术、虚拟手术规划、信息交流、个性化交互设计、产品性能快速分析和3D打印制造技术，通过该系统医生能随时了解膝关节假体设计、制造情况，设计人员能根据患者的膝关节形态设计出其个人适用的假体，并能随时根据医生的方案，对假体设计进行修改，最后工程人员使用3D打印技术制造出设计的假体，生产出与患者膝关节最佳匹配的个性化膝关节假体，从而在最少切骨量的基础上保证假体与膝关节的最佳匹配，达到效果最优化。本发明不仅能够摆脱现有假体产品不能良好匹配膝关节结构的困扰，而且使对患者个性化、定制化置换手术方案成为可能，在医学领域中具有重大意义。

Description

一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统及方法

技术领域

本发明涉及个性化医学植入体的设计和3D打印制造领域，具体涉及一种基于网络协同常规（骨性关节炎、类风湿性关节炎）全膝置换患者全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统及方法。

背景技术

对于晚期膝关节或骨关节病的患者来说，全膝置换术已经被广泛接受，成为一种非常有效的治疗方法。但研究显示不同种族、不同性别膝关节的解剖形态均具有一定的差异。而目前全膝置换用膝关节假体都是标准化、模块化设计的几种不同型号的假体，不区分患者的种族和性别。由于每个患者的膝关节形态都不一样，假体和膝关节就会出现不匹配而影响手术长期效果，给医生和病人都带来了困扰。因此，设计最佳匹配患者个人的膝关节假体具有重大意义，这就需要针对每个患者设计制造个性化的膝关节假体。但是，现有的膝关节假体加工技术一般采用模具铸造、数控精加工等方法，无法实现膝关节假体的个性化设计与制造。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于网络协同常规（骨性关节炎、类风湿性关节炎）全膝置换患者全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统及方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统，其特征在于，该系统包括：数字化膝关节CT/MRI数据获取和医生手术规划工作站，个性化参数分析设定和个性化全膝关节置换假体设计及虚拟验证工作站，以及3D打印直接制造数据处理及控制工作站；三个所述工作站异地设置，并通过Internet网络实现信息交流。

在一个优选的实施例中，所述数字化膝关节CT/MRI数据获取和医生手术规划工作站包括三维数字化模型获取单元和截骨单元：

（1）所述三维数字化模型获取单元，其基于患者膝关节的标准医学图像CT/MRI断层扫描数据，通过图像分割、编辑、三维计算的工具包处理，完成患者膝关节三维数字化模型的提取，其中所述膝关节三维数字化模型包括股骨/胫骨/髌骨的三维数字化模型；

（2）所述截骨单元，其用于对构建的所述膝关节三维数字化模型依照全膝置换术的手术方案和程序进行模拟截骨，得到股骨/胫骨/髌骨的截骨模型和保留骨模型。

在一个优选的实施例中，所述个性化参数分析设定和个性化全膝关节置换假体设计及虚拟验证工作站包括个性化全膝关节置换假体模型设计单元和假体误差分析验证单元：

（1）所述个性化全膝关节置换假体模型设计单元，其用于对全膝关节置换假体进行个性化设计，得到全膝关节置换假体模型；

（2）所述假体误差分析验证单元，其用于将所述全膝关节置换假体模型与患者的膝关节骨骼模型模拟装配后，分析膝关节置换假体覆盖面积误差，并对全膝关节置换假体植入后的运动功能进行分析，生成分析报告。

在一个优选的实施例中，所述3D打印直接制造数据处理及控制工作站包括数据处理单元、3D打印控制单元和3D打印制造单元：

（1）所述数据处理单元，其用于对设计好的所述全膝关节置换假体模型进行数据处理、快速工艺分析，并对所述全膝关节置换假体模型进行摆放和悬垂结构添加支撑，然后进行分层切片处理，以获得分层数据；

（2）所述3D打印控制单元，其用于根据所述数据处理单元获得的分层数据和设定的工艺参数，进行3D打印设备的运动状态控制和监控；

（3）所述3D打印制造单元，其根据所述3D打印控制单元的指令，执行相应的运动过程，进行全膝关节置换假体的3D打印，生产假体成品。

一种基于上述系统的全膝关节置换假体的个性化设计和制造方法，其包括以下步骤：

1）数字化膝关节CT/MRI数据获取和医生手术规划的步骤：

①医生采用数字化膝关节CT/MRI数据获取和医生手术规划工作站，将患者膝关节的标准医学图像CT/MRI断层扫描数据导入该工作站，该工作站中的三维数字化模型获取单元通过图像分割、编辑、三维计算的工具包处理，完成患者膝关节三维数字化模型的提取；

②医生制定全膝人工关节置换手术方案；

③采用截骨单元，对膝关节三维数字化模型依照步骤②中医生制定的置换手术方案进行模拟截骨，得到膝关节的截骨模型和保留骨模型；

④医生将截骨模型和保留骨模型发送到假体设计人员；

2）个性化参数分析设定、个性化全膝关节置换假体设计及虚拟验证的步骤：

①假体设计人员采用个性化参数分析设定和个性化全膝关节置换假体设计及虚拟验证工作站，该工作站中的个性化全膝关节置换假体模型设计单元根据医生的截骨、置换方案，对全膝关节置换假体进行个性化设计，得到全膝关节置换假体模型；

②假体设计人员将设计的全膝关节置换假体模型与保留骨模型进行模拟装配，以保证全膝关节置换假体与保留骨之间的最佳匹配；

③同时对全膝关节置换假体植入后的运动功能进行分析，生成分析报告，并将分析报告返回给医生；

④医生根据返回的分析报告确认设计的全膝关节置换假体模型是否符合患者个人情况：若不符合，假体设计人员根据医生建议对设计进行修改，直到医生满意，然后将设计好的全膝关节置换假体模型发送给工程工艺人员；

3）3D打印直接制造数据处理及控制的步骤：

①工程工艺人员通过3D打印直接制造数据处理及控制工作站，对发送来的全膝关节置换假体模型进行数据处理、快速工艺分析，同时对全膝关节置换假体模型进行摆放，并针对工艺过程出现的悬垂结构进行添加支撑，然后进行分层切片处理；

②将分层文件导入3D打印控制单元，先通过扫描路径生成软件生成合适的扫描路径，然后将扫描路径导入3D打印制造单元，并进行3D打印设备运动控制、监控、以及工艺参数的设定；

③3D打印制造单元进行全膝关节置换假体的3D打印制造，并通过后续热处理、喷砂、抛光的工序最终获得假体成品；

④假体成品通过3D快速扫描方式获得产品模型，并与发送来的全膝关节置换假体模型进行重合验证，分析制造误差，生成产品报告；

⑤将产品报告发送至医生，医生接受后将假体成品发货到医生，进行患者全膝关节置换手术。

所述步骤1）的步骤①中，三维数字化模型获取单元以比利时mimics16.0为核心。

所述步骤2）的步骤①中，个性化全膝关节置换假体模型设计单元以市场通用CAD建模软件为核心。

所述步骤2）的步骤①中，CAD建模软件为PRO/E、UG或Solidworks。

所述步骤3）的步骤①中，通过magics软件对全膝关节置换假体模型进行摆放。

所述步骤4）的步骤③中，3D打印制造单元通过激光选区熔化或者电子束选区熔化的金属增材制造方式进行3D打印制造。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明通过异地设置的三个工作站，将医生、设计人员和工程人员联系在一起，形成协同的个性化全膝关节置换假体设计和制造系统，该系统融合了图像处理技术、虚拟手术规划、信息交流、个性化交互设计、产品性能快速分析和3D打印制造技术，通过该系统医生可以随时了解膝关节假体设计、制造情况，设计人员可以根据患者个体的膝关节形态设计出其个人适用的膝关节假体，并可以随时根据医生的方案，对个性化膝关节假体设计进行修改，最后工程人员使用3D打印技术制造出设计的假体，生产出与患者膝关节最佳匹配的个性化膝关节假体，从而在最少切骨量的基础上保证假体与膝关节的最佳匹配，达到效果最优化。由此可见，本发明不仅能够摆脱现有假体产品不能良好匹配膝关节结构的困扰，而且使对患者个性化、定制化置换手术方案成为可能，在医学领域中具有重大意义。

附图说明

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

图1是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统包括异地设置的三个工作站，分别为数字化膝关节CT/MRI数据获取和医生手术规划工作站1，个性化参数分析设定和个性化TKA（全膝关节置换）假体设计及虚拟验证工作站2，以及3D打印直接制造数据处理及控制工作站3，三个工作站之间通过Internet网络实现信息交流。

其中，数字化膝关节CT/MRI数据获取和医生手术规划工作站1包括三维数字化模型获取单元11和截骨单元12：

（1）三维数字化模型获取单元11，其基于患者膝关节的标准医学图像CT/MRI断层扫描数据，通过图像分割、编辑、三维计算等工具包处理，完成患者膝关节三维数字化模型的提取，其中膝关节三维数字化模型包括股骨/胫骨/髌骨的三维数字化模型；

（2）截骨单元12，其用于对构建的膝关节三维数字化模型依照全膝置换术的手术方案和程序进行模拟截骨，得到股骨/胫骨/髌骨的截骨模型和保留骨模型。

个性化参数分析设定和个性化TKA假体设计及虚拟验证工作站2包括个性化TKA假体模型设计单元21和假体误差分析验证单元22：

（1）个性化TKA假体模型设计单元21，其用于对TKA假体（股骨、胫骨、胫骨垫片、髌骨）进行个性化设计，得到TKA假体模型；

（2）假体误差分析验证单元22，其用于将TKA假体模型与患者的保留骨模型模拟装配后，分析TKA假体覆盖面积误差，并对TKA假体植入后的运动功能进行分析，生成分析报告。

3D打印直接制造数据处理及控制工作站3包括数据处理单元31、3D打印控制单元32和3D打印制造单元33：

（1）数据处理单元31，其用于对设计好的TKA假体模型进行数据处理、快速工艺分析，并对TKA假体模型进行摆放和悬垂结构添加支撑，然后进行分层切片处理，以获得离散的分层Plt(带有优化路径规划信息的打印文件)格式的数据；

（2）3D打印控制单元32，其用于根据数据处理单元31获得的离散的分层Plt格式的数据以及根据材料要求设定的工艺参数，进行3D打印设备的运动状态控制和监控；

（3）3D打印制造单元33，其根据3D打印控制单元32的指令，执行相应的运动过程，进行TKA假体的3D打印，生产假体成品。

下面以股骨假体为例，具体说明利用上述系统进行TKA假体的个性化设计与制造方法，其包括以下步骤：

1）数字化膝关节CT/MRI数据获取和医生手术规划的步骤：

①医生采用工作站1，将患者膝关节的标准医学图像CT/MRI断层扫描的DICOM格式数据导入工作站1，工作站1中的三维数字化模型获取单元11以比利时mimics16.0为核心，通过图像分割、编辑、三维计算等工具包处理，完成患者股骨三维数字化模型的提取；

②医生制定全膝人工关节置换手术方案；

③采用截骨单元12，对股骨三维数字化模型依照步骤②中医生制定的置换手术方案进行模拟截骨，得到股骨的截骨模型和保留骨模型；

④医生将截骨模型和保留骨模型通过STL格式发送到假体设计人员。

2）个性化参数分析设定、个性化TKA假体设计及虚拟验证的步骤：

①假体设计人员采用工作站2，工作站2中的个性化TKA假体模型设计单元21以市场通用CAD建模软件（如PRO/E、UG或Solidworks),根据医生的截骨、置换方案，对TKA假体进行个性化设计，得到TKA假体模型；

②假体设计人员将设计的TKA假体模型与保留骨模型进行模拟装配，以保证TKA假体与保留骨之间的覆盖率；

③同时对TKA假体植入后患者的运动功能进行分析，生成分析报告，并将分析报告返回工作站1；

④医生根据返回的分析报告确认设计的TKA假体模型是否符合患者个人情况：若不符合，假体设计人员继续采用工作站2根据医生建议对设计进行修改，直到医生满意，然后将设计好的TKA假体模型以STL格式发送至工作站3。

3）3D打印直接制造数据处理及控制的步骤：

①工程工艺人员通过工作站3，将工作站2发送的TKA假体模型进行数据处理、快速工艺分析，通过magics软件对TKA假体模型进行摆放，并针对工艺过程出现的悬垂结构进行添加支撑，然后进行分层切片处理；

②将分层文件导入3D打印控制单元32，先通过扫描路径生成软件生成合适的扫描路径，将扫描路径导入3D打印制造单元33，并进行3D打印设备运动控制、监控、以及工艺参数的设定；

③3D打印制造单元33通过激光选区熔化或者电子束选区熔化等金属增材制造方式进行TKA假体的3D打印制造，并通过后续热处理、喷砂、抛光等工序最终获得假体成品；

④假体成品通过3D快速扫描方式获得产品模型，并与工作站2发送的TKA假体模型通过geomagicqulify软件以最佳匹配的方式进行重合验证，分析制造误差，生成产品报告；

⑤将产品报告发送至医生，医生接受后将假体成品发货到医生，进行患者全膝关节置换手术。

上述各实施例仅用于对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统，其特征在于，该系统包括：

数字化膝关节CT/MRI数据获取和医生手术规划工作站，

个性化参数分析设定和个性化全膝关节置换假体设计及虚拟验证工作站，以及3D打印直接制造数据处理及控制工作站；

三个所述工作站异地设置，并通过Internet网络实现信息交流。

2.如权利要求1所述的一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统，其特征在于，所述数字化膝关节CT/MRI数据获取和医生手术规划工作站包括三维数字化模型获取单元和截骨单元：

（1）所述三维数字化模型获取单元，其基于患者膝关节的标准医学图像CT/MRI断层扫描数据，通过图像分割、编辑、三维计算的工具包处理，完成患者膝关节三维数字化模型的提取，其中所述膝关节三维数字化模型包括股骨/胫骨/髌骨的三维数字化模型；

（2）所述截骨单元，其用于对构建的所述膝关节三维数字化模型依照全膝置换术的手术方案和程序进行模拟截骨，得到股骨/胫骨/髌骨的截骨模型和保留骨模型。

3.如权利要求2所述的一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统，其特征在于，所述个性化参数分析设定和个性化全膝关节置换假体设计及虚拟验证工作站包括个性化全膝关节置换假体模型设计单元和假体误差分析验证单元：

（1）所述个性化全膝关节置换假体模型设计单元，其用于对全膝关节置换假体进行个性化设计，得到全膝关节置换假体模型；

（2）所述假体误差分析验证单元，其用于将所述全膝关节置换假体模型与患者的膝关节骨骼模型模拟装配后，分析全膝关节置换假体覆盖面积误差，并对全膝关节置换假体植入后，患者的运动功能进行分析，生成分析报告。

4.如权利要求3所述的一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造系统，其特征在于，所述3D打印直接制造数据处理及控制工作站包括数据处理单元、3D打印控制单元和3D打印制造单元：

（1）所述数据处理单元，其用于对设计好的所述全膝关节置换假体模型进行数据处理、快速工艺分析，并对所述全膝关节置换假体模型进行摆放和悬垂结构添加支撑，然后进行分层切片处理，以获得分层数据；

（2）所述3D打印控制单元，其用于根据所述数据处理单元获得的分层数据和设定的工艺参数，进行3D打印设备的运动状态控制和监控；

（3）所述3D打印制造单元，其根据所述3D打印控制单元的指令，执行相应的运动过程，进行全膝关节置换假体的3D打印，生产假体成品。

5.一种基于如权利要求1到4任一项所述系统的全膝关节置换假体的个性化设计和制造方法，其包括以下步骤：

1）数字化膝关节CT/MRI数据获取和医生手术规划的步骤：

①医生采用数字化膝关节CT/MRI数据获取和医生手术规划工作站，将患者膝关节的标准医学图像CT/MRI断层扫描数据导入该工作站，该工作站中的三维数字化模型获取单元通过图像分割、编辑、三维计算的工具包处理，完成患者膝关节三维数字化模型的提取；

②医生制定手术截骨、置换方案；

③采用截骨单元，对膝关节三维数字化模型依照步骤②中医生制定手术截骨、置换方案进行模拟截骨，得到膝关节的截骨模型和保留骨模型；

④医生将截骨模型和保留骨模型发送到假体设计人员；

2）个性化参数分析设定、个性化全膝关节置换假体设计及虚拟验证的步骤：

①假体设计人员采用个性化参数分析设定和个性化全膝关节置换假体设计及虚拟验证工作站，该工作站中的个性化全膝关节置换假体模型设计单元根据医生的截骨、置换方案，对全膝关节置换假体进行个性化设计，得到全膝关节置换假体模型；

②假体设计人员将设计的全膝关节置换假体模型与保留骨模型进行模拟装配，以保证全膝关节置换假体与保留骨之间的最佳匹配；

③同时对全膝关节置换假体植入后的运动功能进行分析，生成分析报告，并将分析报告返回给医生；

④医生根据返回的分析报告确认设计的全膝关节置换假体模型是否符合患者个人情况：若不符合，假体设计人员根据医生建议对设计进行修改，直到医生满意，然后将设计好的全膝关节置换假体模型发送给工程工艺人员；

3）3D打印直接制造数据处理及控制的步骤：

①工程工艺人员通过3D打印直接制造数据处理及控制工作站，对发送来的全膝关节置换假体模型进行数据处理、快速工艺分析，同时对全膝关节置换假体模型进行摆放，并针对工艺过程出现的悬垂结构进行添加支撑，然后进行分层切片处理；

②将分层文件导入3D打印控制单元，先通过扫描路径生成软件生成合适的扫描路径，然后将扫描路径导入3D打印制造单元，并进行3D打印设备运动控制、监控、以及工艺参数的设定；

③3D打印制造单元进行全膝关节置换假体的3D打印制造，并通过后续热处理、喷砂、抛光的工序最终获得假体成品；

④假体成品通过3D快速扫描方式获得产品模型，并与发送来的全膝关节置换假体模型进行重合验证，分析制造误差，生成产品报告；

⑤将产品报告发送至医生，医生接受后将假体成品发货到医生，进行患者全膝关节置换手术。

6.如权利要求5所述的一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造方法，其特征在于，所述步骤1）的步骤①中，三维数字化模型获取单元以比利时mimics16.0为核心。

7.如权利要求5所述的一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造方法，其特征在于，所述步骤2）的步骤①中，个性化全膝关节置换假体模型设计单元以市场通用CAD建模软件为核心。

8.如权利要求7所述的一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造方法，其特征在于，CAD建模软件为PRO/E、UG或Solidworks。

9.如权利要求5所述的一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造方法，其特征在于，所述步骤3）的步骤①中，通过magics软件对全膝关节置换假体模型进行摆放。

10.如权利要求5所述的一种全膝关节置换假体的个性化设计和制造方法，其特征在于，所述步骤4）的步骤③中，3D打印制造单元通过激光选区熔化或者电子束选区熔化的金属增材制造方式进行3D打印制造。