一种3D打印个体化定制植入物塑形装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及利用计算机辅助建模领域,尤其涉及一种个体化定制植入物塑形定位导板、模具以及快速成型方法。
背景技术
骨科手术制式内植物往往为统一规格、参数的产品,在植入人体前往往需要医生进行塑形,以更好地贴合特定患者进行植入,而个体化打印内植入物成本往往较高,临床有3D打印骨骼模型术前进行内固定物塑形的案例,但该种技术同样受限于骨骼模型打印成本等因素的限制,故而临床尚未广泛推广,而且打印的骨骼模型不能术中用于定位导向,作用单一,故而有必要设计成本更低、功能更多、方便推广应用的临床塑形导板、模具,便于更充分的术前准备以及术中更精准的安装,节省手术时间。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明的目的在于提供一种个体化定制植入物塑形定位装置以及设计制造方法。
为达到以上目的,本发明采用如下技术方案。
一种3D打印个体化定制植入物塑形装置,其特征包括:该塑形装置分为三大类:第一种是在建立最理想复位、对位对线骨骼数字模型后,以骨骼表面为基础设计的导板或模具,该种塑形装置依据其底面设计不同又分为3类,该中装置适用于植入物外型较复杂、骨骼表面完整或缺损不大、骨骼数字模型复位简单或建立了正常侧骨骼模型情况;第二种是以建立植入物最理想安装、最理想植入物数字模型为基础设计的导板或模具,由A、B两个部分组成,适用于植入物外形简单、骨折极度复杂或缺损较大、仅要求骨骼对线或弧度旋转位置关系正确情况;第三种是主要用于组织缺损修补植入物的塑形、假体植入物的塑形,此种装置又分为两类,分别适用于不同的缺损或假体植入物,其中第二类可生产制式塑形装置。
其制作方法步骤为,首先通过逆向工程技术对目标骨骼进行建模得到骨骼的数字模型,如需要植入物数字模型,可通过逆向工程技术对目标植入物进行建模;然后,对骨骼模型按照手术目的进行操作复位或截骨矫形,使其模型达到手术最终目的理想状态,对于过于复杂的,可直接使用对侧正常的骨骼模型镜像模型;
对于第一类导板模具,依据植入物外型以及预计摆放位置,确定取材范围,并在骨骼模型表面取面或在骨骼上切取骨块,必要时进行一些填空、补面等处理消除骨折间隙、骨骼本身的孔或缺损,以该面或体块为基础逐步建立第一类导板模具的各项特征。
对于第二类导板模具,先将内固定模型分解成若干部分,放置在骨骼模型合适位置,对各部分之间接面形成体,或使用其它杆、棒、框架等特征连接成体,对于某些无特殊要求的孔进行填孔处理,对于要求导向置钉的孔,进行填补后在该孔范围按照置钉理想方向建立导向孔,对螺纹孔,进行去螺纹处理并重新设计圆孔;再以此为主体加入其它特征或三维布尔运算生成A、B部分,对于外型简单的固定棒植入物,则在骨骼装配好植入物模型后,于置入棒的位置取点,连接拟合成曲线,曲线基础上生成棒体,得到A部分,再选择合适的骨体在其上与A使用三维布尔减运算得到B部分。
对于第三类导板的设计制作,对于第一类与缺损相似或部分相似的装置,通过两种方法获得模型,一种是在缺损处直接建立,主要采用连接曲线、补面、造面或扫掠成体等方式建立,另一种是通过镜像在健康侧切割取出;对于第一类圈状、带状、条状、框架、柱状、管状的装置,则直接将缺损边界取出通过拉伸偏置等操作获得,如仅需要长度相等则直接建立柱状、管状或拉伸结构。对于第二类用于可塑形、填充或凝固的植入材料塑形的装置制作,则先建立与缺损处相似的实体结构,再通过实体外侧面偏置成体或包络成体,或设计能够足够包容该缺损实体的实体,再通过三维布尔操作减去缺损实体结构,得到初步模型后在此基础上进一步设计装配结构、注入口等特征;该种模具的制式塑形装置其内部塑形部分使用规则的参数化体设计拟合取代缺损部分,如股骨头使用球体取代等,其各项参数的变化形成各种型号。
塑形装置模型设计好后,个体化的塑形装置通过3D打印得到所需要的塑形装置导板模具;对于第三种第二类的制式塑形装置,主要通过注塑、CNC等批量生产的塑料加工工艺获得。
所述导板模具其工作面与对侧面之间的部分可进一步抽壳、镂空、框架化处理减少打印的材料消耗;对于需要与人体接触的塑形装置,打印材料未通过FDA认证或者需要替换材料便于使用的,需要打印模型后采用热成型技术或铸造技术用医学兼容材料制作最终工具。
本发明可以大幅减少3D打印成本便于患者接受,各种细节特征使内植入物塑形更方便,使术前完成更充分的术前准备,术中能准确安装植入物,节省手术时间,减少患者痛苦,术中可利用植入物精准安装达到使骨块复位更准确的目的,导板凸出的柱壁可为手术牵开组织提供视野,更方便操作。而对于骨缺损修复,充分利用现有植入材料,不需要研发能够植入人体的3D打印材料。
本发明还具有准入门槛低的特点,充分利用制式植入物实现个体化植入的特定,很适合直接由医院购买3D打印设备开展,更便于3D打印技术在临床的推广应用。
附图说明
图1为本发明第一类、第二类装置的安装示意图;
图2、3为第三类装置的安装示意图。
标记说明:
1.顶面(工作面)
2.底面(工作面的对侧面)
3.限制植入物塑形的凸出特征(此处为壁、圆柱)
4.用于骨面定位的凸出特征
5.定位用凸出、凹陷特征(孔与槽)
6.标记特征
7.圆角特征
8.骨缺损
9.第三种第一类与骨缺损相同的模板
10.第三种第一类边缘与骨缺损相同的圈状模板
11.多个部分组装的第三种第二类塑形装置(内部空腔与缺损匹配)
12.装配结构
13.注射口
14.通气孔
15.装配标识、破裂结构。
具体实施方式
如图1-3所示,本3D打印个体化定制植入物塑形装置可分为三大类:一种是在建立最理想复位、对位对线骨骼数字模型后以骨骼表面为基础设计的导板或模具,另一种是以建立植入物最理想安装、最理想植入物数字模型为基础设计的导板或模具,还有一种主要用于组织缺损修补植入物、假体植入物的塑形。
第一种适用于植入物外型较复杂、骨骼表面完整或缺损不大、骨骼数字模型复位简单或建立了正常侧骨骼模型等情况。依据其底面设计不同分为3类。这3类装置其顶面1为工作面,顶面1与建立好的已获得最理想复位或矫形的骨骼数字模型的骨表面一致,由内固定安装的范围内的骨表面取材或依据需要辅以连接曲面设计而成,该面与目标表面或内固定的最终弧线一致;该工作面范围为术前模拟植入物安装的大致或理想范围,该工作面能为内植入物塑形提供依据,该面边界设有限制用凸起特征3,用于限制植入物于该大致范围或理想范围,便于塑形比对,该面中设置有定位凸起或凹陷特征5、通孔或通槽5、其它标记特征如标记线等,这些特征为内植入物安放于预定位置进行塑形提供指导,在塑形时,植入物的特定孔与之相对,使得植入物能够准确地塑形便于植入;而塑形装置的侧面设计有与目标孔对应的标识特征6,用于标记必要的数据;塑形装置边缘还可添加圆角特征7,防止锐利边缘造成损伤。
该类型的装置其工作面的对侧面为底面2,可为平面、顶面所对应的骨骼表面的对侧骨面、与顶面全部或部分匹配的曲面这三种,塑形装置因此而具有不同作用。底面2为平面时,专门用于植入物塑形,平面可置于台面,将内固定植入物置于工作面,能够使用金属塑形工具对植入物进行一定程度的挤压塑形。底面2为顶面1所对应的骨骼面的对侧骨面时,塑形装置主要用于骨盆或需要两侧均植入植入物的情况,其对侧的骨面能为术者确定理想置钉孔的深度方向、对侧情况。底面2为与顶面1全部或部分相匹配的曲面时,则塑形装置同时具有模板以及导板功能,其顶面用于比对塑形内固定物,而其底面为顶面的匹配面,可利用底面匹配贴合骨面从而用作导板为内植入物的准确植入提供辅助;此种塑形装置的侧面按照需要设计有定位固定用的凸出或凹陷4、通孔或凹槽,用于将导板准确定位并临时固定于骨骼;这种导板底面2也可设计有凸出特征,用于该装置贴合骨表面的固定,还可进一步设计合适的与骨或皮肤接触的触点,使通孔5方向方向位置正确;该类塑形导板的通孔5为目标置钉方向,其中可嵌入金属管,或者设计得更大通孔,用于插入钻套保护孔壁。
第二类模具导板适用于植入物外形简单、骨折极度复杂或缺损较大、仅要求骨骼对线或弧度旋转位置关系正确等情况,模具导板分为A、B两部分,B部分可缺省或由第一类装置代替。A部分其主体由制式植入物数字模型比对最理想复位、对位对线骨骼数字模型后,对制式植入物数字模型分解,调整修改并重新连接而成;外型简单的植入物如脊柱后路固定棒,直接在安装好植入物的骨骼数字模型的基础上建立理想植入物;对于顶、底面基本相似并近似平行的植入物,对于塑形装置A部分主体工作面上有凸起特征、孔用于为植入物的塑形提供比对依据,边界外侧有凸出特征用于限制植入物,方便比对以及对植入物塑形;在主体的骨骼接触面外侧或侧面设计凸出特征,用于防止导板位置放置错误;另外,导板作用的A主体部分的孔与原内固定物不同,这些孔为螺钉置入方向的圆孔,用于对钻孔方向导向,此时B部分可以缺省;对于顶、底面不相似、不平行的植入物,A部分主体凸出特征仅用于导板定位,不用于比对限制,其B部分的工作面为使用内固定物与骨接触的曲面切割形成,其余特征与第一类模具相同,该部分用于对植入物进行比对塑形,也可使用第一类模具代替;对于直接在最理想复位、对位对线骨骼数字模型的基础上建立理想植入物,A部分即为塑形好的棒,B部分为大于棒的实体,通过三维布尔运算去除A部分形成的带有槽或通道的实体,两部分均用于对内固定棒的比对塑形,B部分还能对塑形好的固定棒进行验证,确认其完全符合术前设计。
如图2所示,第三种装置用于组织缺损修复植入物的塑形,用于对某些用于缺损修复的植入材料的比对修剪,如用于颅骨缺损修复的可修剪的材料、固态植骨材料等的比对修剪,该装置可依据需要选择与缺损处相似、部分相似或互相匹配的实体结构9、圈状模板10、带状、条状、框架、柱状、管状结构,它们的共同特征是,其某个或某些边缘或面与骨缺损边缘或面一致或匹配,或其某个或某些边缘或面与需要裁剪的路径一致或匹配,或长度与需要保留的长度一致。使用时均通过与装置的比对,利用剪刀、刻刀、塑形工具、机械等对修复材料进行修剪。对于可塑形、填充或凝固的植入材料的塑形,如骨水泥、注入式植骨材料、松质人工骨等材料的塑形,该装置11为壳体、管状、盒状、槽状等腔体或中空结构或实体带有腔体结构,其内腔体用于塑形,它由一个整体或多个部分装配而成,其上有一个或多个装配口或装配结构12,用于与骨缺损或其它组织、植入物装配或用于多个部分之间的装配;其上还有一个或多个注入口13,用于注射、填入植入材料;其上还有通气孔14用于注入时排气以及观察填充情况,也便于消毒;其上还有装配指示结构15或标识用于指导装配,其上有薄弱结构15如孔、槽等用于充填后破坏该模具使之容易去除,也可以使用同一结构兼具此两种功能;腔体壁可以涂抹介质便于该装置的去除;如有需要其内可置入其它结构,如金属棒、金属网笼、人工关节面等结构,使得充填水泥拆除模具后,骨水泥假体上或内部同时具备有上述结构。使用时通过该装置与人体中的组织结构如骨缺损处的一端装配,通过注入口注入植入材料,凝固即可得到所需植入物或假体,或利用装配结构对目标挤压成型。为使骨水泥假体能固定于缺损处,需要处理前需使缺损处具备空洞、腔隙、或凸出物,如髓腔、固定骨圆针等等;该种模具导板还可设计成各种型号的制式模具,制式模具在个体化模具不同在于,以参数化的规则体拟合缺损位置,即其内部腔体结构为规则的参数化体,其各项参数变化形成各种不同型号,其余特征与个体化模具相同。
上述3D打印个体化定制植入物塑形装置制作方法,首先通过逆向工程技术对目标骨骼进行建模得到骨骼的数字模型,如需要植入物数字模型,可通过逆向工程技术对目标植入物进行建模;然后,对骨骼模型按照手术目的进行操作复位或截骨矫形,使其模型达到手术最终目的理想状态,对于过于复杂的,可直接使用对侧正常的骨骼模型镜像模型;对于第一类导板模具,依据植入物外型以及预计摆放位置,确定取材范围,并在骨骼模型表面取面或在骨骼上切取骨块,必要时进行一些填空、补面等处理消除骨折间隙、骨骼本身的孔或缺损,以该面或体块为基础逐步建立第一类导板模具的各项特征;对于第二类导板模具,先将内固定模型分解成若干部分,放置在骨骼模型合适位置,对各部分之间接面形成体,或使用其它杆、棒、框架等特征连接成体,对于某些无特殊要求的孔进行填孔处理,对于要求导向置钉的孔,进行填补后在该孔范围按照置钉理想方向建立导向孔,对螺纹孔,进行去螺纹处理并重新设计圆孔;再以此为主体加入其它特征或三维布尔运算生成A、B部分;对于外型简单的固定棒植入物,则在骨骼装配好植入物模型后,于置入棒的位置取点,连接、拟合成曲线,曲线基础上生成棒体,得到A部分,再选择合适的骨体在其上与A使用三维布尔减运算得到B部分;对于第三类导板的设计制作,对于与缺损相似或部分相似的装置,通过两种方法获得模型,一种是在缺损处直接建立,主要采用连接曲线、补面、造面或扫掠成体等方式建立,另一种是通过镜像在健康侧切割取出;对于圈状、带状、条状、框架、柱状、管状的装置,则直接将缺损边界取出通过拉伸偏置等操作获得,如仅需要长度相等则直接建立柱状、管状或拉伸结构;对于用于可塑形、填充或凝固的植入材料塑形的装置制作,则先建立与缺损处相似的实体结构,再通过实体外侧面偏置成体或包络成体,或设计能够足够包容该缺损实体的实体,再通过三维布尔操作减去缺损实体结构,得到初步模型后在此基础上进一步设计装配结构、注入口等特征。塑形装置模型设计好后,通过3D打印得到所需要的塑形装置导板模具;对于某些情况,该种模具可依据需要生产各种型号的制式模具,直接提供医生选择,而不需要个体化设计,其内部塑形部分使用规则的参数化体设计拟合取代缺损部分,如股骨头使用球体取代等,其各项参数的变化形成各种型号,使用的此时种制式模具主要通过注塑、CNC等工艺获得。
模型设计好后,通过3D打印得到所需要的塑形装置导板模具。导板模具其工作面与对侧面之间的部分可进一步抽壳、镂空、框架化等处理进一步减少打印的材料消耗。对于作为导板用途的塑形装置,如打印材料未通过FDA认证的,需要打印模型后采用热成型技术用医学兼容材料制作最终工具。
该凸出特征包含凸起、凸台、凸柱、齿、刺、连续或不连续的壁、凸出文字线条等,凹陷特征包含凹陷、凹陷腔体、凹孔、凹槽、凹陷文字线条等,这特征的具体变化组合属于本发明的保护范围。
不脱离本设计思想的外型变化均属于本发明保护范围,本专利的设计特征可依据需要进行组合、调整。打印材料、打印机型选择、打印精度变化应在本发明保护范围之内。本发明使用图像分割软件、逆向或正逆向工程软件、CAD软件、快速成型制造软件(3D打印软件)四类软件中的若干软件,使用软件的变化属于本发明保护范围。