CN105310811A - 载荷平衡式膝关节矫形支具及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种载荷平衡式膝关节矫形支具及其3D打印方法，包括：大腿支撑部分、小腿支撑部分和连接部分的设计和打印；所述的大腿支撑部分和小腿支撑部分均为环形的曲面，所述的连接部分包括腿内侧连接单元和腿外侧连接单元；设计包括3D扫描和建模、流形、松弛、偏移和抽壳处理；本发明结构简单，设计合理，防止膝关节在屈伸状态下进一步磨损；采用聚乳酸纤维进行3D打印，具有良好的物理效果。

Description

载荷平衡式膝关节矫形支具及其实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种医疗康复器械领域的技术，具体是一种载荷平衡式膝关节矫形支具及其实现方法。

背景技术

膝关节是全身结构最为复杂的关节，负重量与运动量位于所有关节之首，同时承担着下肢活动的枢纽作用，因此，膝关节的伤病率高于全身其他关节。在膝关节的诸多伤病中，骨性关节炎是最为常见的病症之一，长期的、大量的关节负载以及下肢力线畸形都是导致骨性关节炎的主要外因。而载荷平衡式矫形支具，通过矫正下肢畸形力线，减轻受病关节负荷，减少关节面磨擦，已经成为减轻患者疼痛，缓解病情持续发展的重要手段之一。

一般而言，膝关节矫形支具具有几个功能：1)固定、保护和支撑膝关节，限制膝关节的活动范围以恢复其承重功能；2)预防和矫正畸形膝关节，在一定程度上可以改善膝骨关节炎引起的功能障碍，预防畸形的进一步发展；3)平衡膝关节的载荷，减轻发病侧关节髁的压力，有利于关节髁坏死区域的修复。

目前大多数膝关节矫形支具采用三点力原理和整体免荷原理进行设计，三点力原理是指矫形支具的三个支撑点作用在下肢，下肢产生反作用力来对抗所施加的三点力，两者维持相对平衡后，能给与佩戴者持续的压力，以此来矫正患者下肢的力线弯曲和偏斜异常；整体免荷原理是指矫形支具通过向上支撑大腿和向下支撑小腿，增大膝关节上下关节面间距，减小上下关节面之间的压力，进而减轻骨关节面磨损，以达到缓解关节疼痛的目的。

近来随着3D打印技术应用于医学领域，个性化定制膝关节矫形支具等展现出很好的应用前景。3D打印技术在生物医学工程领域应用主要在于术前策划的应用、手术辅助器械的应用、定制假体中的应用以及组织工程中的应用。在组织工程中，3D打印技术主要用于支架的制备，可以将不同类型的生物材料组合起来，制备出微结构可控、力学性能稳定的支架结构。将实物模型扫描后转换为数字模型进行分析和设计是进行3D打印的重要准备工作。应用的软件平台主要包括GeomagicStudio、GeomagicSpark和Solidworks。GeomagicStudio是Geomagic公司设计的一款逆向工程软件，可以将实物零件通过3D扫描转换为离散点云，进而生成准确的数字模型；Solidworks是世界上第一款基于Windows系统开发的三维CAD设计软件；GeomagicSpark是业界唯一一款结合了实时三维扫描、三维点云和三角网格编辑功能以及全面CAD造型设计、装配建模、二维出图等功能的三维设计软件。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104873315A，公告日2015.9.2，公开了一种免荷型膝关节矫形器，包括大腿夹板、小腿夹板、主动转轮、从动转轮、传动销轴和推杆；大腿夹板、小腿夹板均通过绑带分别绑缚在大腿、小腿上；主动转轮上设有弧形的第一槽孔，在主动转轮的外周上设有一个耳部，第一槽孔的中心点位于耳部上；从动转轮设置在大腿夹板下端，从动转轮上设置有第二槽孔，第二槽孔由两个开口相对的弧形槽孔组成V形槽；小腿夹板上端设有条形的第三槽孔，第三槽孔沿小腿夹板的长度方向设置；推杆一端与耳部铰接，推杆另一端与套在大腿夹板上的大腿托铰接。但该技术制作过程复杂，不能根据患者的腿形作适应性匹配，影响佩戴的舒适程度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种载荷平衡式膝关节矫形支具及其实现方法，根据三点力原理和整体免荷原理设计矫形支具，通过对膝关节施加矫正力矩使膝关节矫形支具在膝关节运动时局部免荷，并基于3D扫描重建技术与计算机辅助设计技术，实现膝关节矫形支具的个性化定制。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种载荷平衡式膝关节矫形支具，包括：依次相连的大腿支撑部分、连接部分和小腿支撑部分。

所述的大腿支撑部分为上平下凹的环形曲面。

所述的小腿支撑部分为中间设有槽口的环形曲面。

所述的连接部分包括：腿内侧连接单元和腿外侧连接单元，其中：内外侧连接单元分别位于膝关节左右(内外)两侧，上下分别与大腿和小腿支撑部分相连接。

所述的腿内侧连接单元进一步包括：从上而下依次设置的腿内侧上部连接件、腿内侧下部连接件和护板，其中：腿内侧上部连接件的一端分别与腿内侧下部连接件和护板相连，腿内侧下部连接件与护板固定连接。

所述的腿外侧连接单元进一步包括：依次相连的腿外侧上部连接件、中间转轴和腿外侧下部连接件。

所述的腿外侧上部连接件和腿外侧下部连接件通过销柱分别与大腿支撑部分和小腿支撑部分相连。

本发明涉及上述支具的实现方法，包括以下步骤：

步骤1、扫描并得到包含膝关节的腿部3D外形数据，进行3D建模并保存。

步骤2、从3D数字模型上提取曲线曲面，进行矫形支具大腿支撑部分和小腿支撑部分的外形设计。

步骤3、根据上一步骤的设计尺寸设计连接部分的尺寸。

步骤4、通过3D打印机打印大腿支撑部分、小腿支撑部分和连接部分。

步骤5、组装大腿支撑部分、小腿支撑部分和连接部分，利用绑带固定在腿部进行适配。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用3D打印技术定制个性化膝关节矫形支具，制作简单、快速、精度高，能与患者腿部更为匹配，佩戴更为舒适；采用载荷式支具方法对膝关节畸形位置进行局部免荷，不影响膝关节的正常功能，对治疗单髁过膝关节炎有一定作用。

附图说明

图1为载荷平衡式膝关节矫形支具示意图；

图2为腿内侧连接单元示意图；

图3为腿外侧连接单元示意图；

图4为3D打印流程图；

图5为佩戴膝关节矫形支具后的膝关节伸直状态示意图；

图6为佩戴膝关节矫形支具后的膝关节屈曲状态示意图；

图中：1为大腿支撑部分，2为小腿支撑部分，3为连接部分，4为腿内侧上部连接件，5为腿内侧下部连接件，6为护板，7为齿轮，8为齿条，9为导轨，10为销柱，11为腿外侧上部连接件，12为腿外侧下部连接件，13为中间转轴。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例涉及的3D扫描及设计环境版本为GeomagicStudio2013，Solidworks2013和Geomagicspark2013。

如图1所示，本实施例包括：依次相连的大腿支撑部分1、连接部分3和小腿支撑部分2。

所述的大腿支撑部分1为上平下凹的环形曲面。

所述的小腿支撑部分2为中间设有槽口的环形曲面。

所述的连接部分3包括：腿内侧连接单元和腿外侧连接单元，其中：内外侧连接单元分别位于膝关节左右(内外)两侧，上下分别与大腿和小腿支撑部分相连接。

如图2所示，所述的腿内侧连接单元包括：从上而下依次设置的腿内侧上部连接件4、腿内侧下部连接件5和护板6，其中：腿内侧上部连接件4的一端分别与腿内侧下部连接件5和护板6相连，腿内侧下部连接件5与护板6固定连接。

所述的腿内侧上部连接件4的一端通过转轴与护板6相连，另一端设有销柱10。

所述的护板6上设有与转轴相配合的导轨9。

所述的腿内侧下部连接件5为梯形板，梯形板的斜边设有齿条8，直角边一侧设有销柱10。

所述的齿条8的周长为30mm以提供膝关节弯曲足够的角度余量。

所述的腿内侧上部连接件4上设有与齿条8相啮合的齿轮7。

所述的腿内侧上部连接件4和腿内侧下部连接件5通过销柱10分别与大腿支撑部分1和小腿支撑部分2相连。

所述的腿外侧连接单元包括：依次相连的腿外侧上部连接件11、中间转轴13和腿外侧下部连接件12。

所述的腿外侧上部连接件11和下部连接件12分别通过销柱10同大腿支撑部分1和小腿支撑部分2相连。

如图3所示，本实施例包括：

步骤1、扫描并得到包含膝关节的腿部3D外形数据，进行3D建模，以stl.文件格式保存。

所述的扫描采用kinect系统。

步骤2、从3D数字模型上提取曲线曲面，进行矫形支具大腿支撑部分1和小腿支撑部分2的外形设计，两者设计步骤相同，包括：

步骤2.1)导入腿部外形数据：打开软件，打开保存的膝关节的模型文件。

步骤2.2)对腿部外形数据进行流形处理，去除离散点。

步骤2.3)在流形处理后的模型上勾勒出大腿/小腿支撑部分的外形。

步骤2.4)对大腿/小腿支撑部分的外形区域进行松弛。

步骤2.5)将大腿/小腿支撑部分法向向外偏移8mm，使大腿/小腿支撑部分与大腿/小腿之间生成8mm的间隙。

所述的偏移范围为5～10mm，以留有间隙容纳衣物。

步骤2.6)对大腿/小腿支撑部分抽壳3mm，使大腿/小腿支撑部分厚度为3mm，得到大腿/小腿支撑部分的模型并保存为stl.格式文件。

步骤3、根据上一步骤的大腿/小腿支撑部分的模型设计连接部分3的尺寸，具体为：腿外侧上部连接件11和腿外侧下部连接件12的尺寸相同，为100mm*30mm，中间转轴13的转孔直径为18mm，厚度为3mm；中间转轴的直径为17mm，长度为10mm；腿内侧上部连接件4的尺寸为100mm*30mm，护板6的尺寸为100mm*30mm，导轨9的宽度为7mm，护板6和导轨9的厚度均为3mm；腿内侧下部连接件5的护板外部分长度为40mm，其中与护板6刚性连接部分垂直宽度为10mm，与护板6接触部分总长度为70mm，齿条8的长度为30mm，销柱直径为6mm。

步骤4、通过3D打印机打印大腿支撑部分1、小腿支撑部分2和连接部分3，具体包括：

步骤4.1)打开3D打印机自带的机器代码转化软件，导入需要打印的stl.格式文件。

步骤4.2)将文件中的大腿支撑部分1、小腿支撑部分2和连接部分3转移至打印平台中央位置，并设置打印参数。

所述的打印参数包括但不限于：喷头温度、打印平台温度或零件填充率。

所述的喷头温度为230℃，打印平台温度为45℃，零件填充率为15％。

所述的设置包括勾选”衬垫”或”支撑结构”选项。

步骤4.3)生成机器代码.x3g格式文件，导入3D打印机中，进行打印，具体包括：

步骤4.3.1)打开3D打印机，校准平台与打印机喷头的距离。

步骤4.3.2)选择SD卡中相应的打印文件，开始打印。

所述的3D打印机为anyprint打印机，打印材料为聚乳酸纤维。

步骤5、组装大腿支撑部分1、小腿支撑部分2和连接部分3，利用绑带固定在腿部进行适配。

根据志愿者反馈，当膝关节从屈曲状态至伸直状态过程中，能明显感受到膝关节矫形支具提供的向上方向的支撑力；当膝关节从伸直至屈曲状态时，膝关节支具提供的向上方向的支撑力逐渐减小，证实了本实施例可通过对膝关节内侧施加支撑力，将关节面受损一侧的关节拉开，阻止受损关节面的进一步磨损，从而实现对膝关节的局部免荷。

所述的大腿支撑部分1提供了支具与大腿的接触面，提供站立姿态的上支撑点。

所述的小腿支撑部分2提供了支具与小腿的接触面，提供站立姿态的下支撑点。

所述的腿外侧连接单元仅需完成固定与转动功能，并且在膝关节处于伸直状态时提供额外的支撑力，而腿内侧连接单元需要通过向上和向下支撑部分提供支撑力，增大内髁关节面间的间距，平衡内外髁关节面间的压力，达到矫正下肢畸形力线，减轻关节面磨擦，减少患者膝关节疼痛，改善膝关节功能，提高生存质量的目的。

所述的打印材料采用聚乳酸纤维，既保证了材料的结构强度，也符合矫形支具对于材料抑菌性、安全性的要求。

本实施例对于膝关节的内翻有明显的限制作用，减轻了膝关节内髁关节面间的压力；并且本实施例对膝关节的屈伸、内外旋运动影响不大，对佩戴本实施例后腿部的正常活动影响不大。

Claims (9)

1.一种载荷平衡式膝关节矫形支具，其特征在于，包括：依次相连的大腿支撑部分、连接部分和小腿支撑部分；

所述的大腿支撑部分为上平下凹的环形曲面；

所述的小腿支撑部分为中间设有槽口的环形曲面。

2.根据权利要求1所述的载荷平衡式膝关节矫形支具，其特征是，所述的连接部分包括：腿内侧连接单元和腿外侧连接单元。

3.根据权利要求2所述的载荷平衡式膝关节矫形支具，其特征是，所述的腿内侧连接单元包括：从上而下依次设置的腿内侧上部连接件、腿内侧下部连接件和护板，其中：腿内侧上部连接件的一端分别与腿内侧下部连接件和护板相连，腿内侧下部连接件与护板固定连接。

4.根据权利要求3所述的载荷平衡式膝关节矫形支具，其特征是，所述的腿内侧上部连接件通过转轴与护板相连。

5.根据权利要求4所述的载荷平衡式膝关节矫形支具，其特征是，所述的护板上设有与转轴相配合的导轨。

6.根据权利要求3所述的载荷平衡式膝关节矫形支具，其特征是，所述的腿内侧下部连接件为梯形板，梯形板的斜边设有齿条，腿内侧上部连接件设有与齿条相啮合的齿轮。

7.根据权利要求2所述的载荷平衡式膝关节矫形支具，其特征是，所述的腿外侧连接单元包括：依次相连的腿外侧上部连接件、中间转轴和腿外侧下部连接件。

8.一种根据上述任一权利要求所述的载荷平衡式膝关节矫形支具的实现方法，其特征在于，包括：

步骤1、扫描并得到包含膝关节的腿部3D外形数据，进行3D建模并保存；

步骤2、从3D数字模型上提取曲线曲面，进行矫形支具大腿支撑部分和小腿支撑部分的外形设计；

步骤3、根据上一步骤的设计尺寸设计连接部分的尺寸；

步骤4、通过3D打印机打印大腿支撑部分、小腿支撑部分和连接部分；

步骤5、组装大腿支撑部分、小腿支撑部分和连接部分，利用绑带固定在腿部进行适配。

9.根据权利要求8所述的载荷平衡式膝关节矫形支具的实现方法，其特征是，大腿支撑部分或小腿支撑部分的外形设计操作包括：流形处理、创建样条边界、松弛、偏移和抽壳。