CN105943228B - 一种基于3d打印机打印颈椎牵引支具的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法，包括建立患者的颈部3D模型；建立颈椎牵引支具模型；模拟颈椎牵引支具模型的牵引过程；通过有限元分析法计算颈椎牵引支具模型与颈部3D模型的接触面上每个接触区域的大小及压力值，并判断是否超出预设的压力阈值范围；若是，则对颈椎牵引支具模型的相应参数进行修正，重新进行有限元分析；若否，则通过3D打印机打印颈椎牵引支具模型。本发明实施例提供的一种基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法，可为患者提供个性化、舒适，且具有较佳牵引效果的颈椎牵引支具。通过有限元分析法可预测牵引效果，精确计算颈椎牵引支具的尺寸与厚度，从而制备具有最佳牵引效果的颈椎牵引支具。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法。
背景技术
颈椎牵引是治疗寰枢椎半脱位、颈椎生理曲度改变、颈椎间盘突出等颈椎病的有效方法，在牵引治疗的过程中，颈椎牵引支具是必不可以的协助器具。目前，常用的颈椎牵引支具包括枕颌带。图1为临床中常用的一种枕颌带的结构示意图，如图1所示，枕颌带包括颌带1和枕带2，颌带1和枕带2上相对于耳朵部位处设有一横向的耳带3，颌带1与枕带2的上部连为一体，并连接一吊带4，吊带4的自由端绕过滑轮与挂锤5连接。
临床使用时，将枕颌带套于患者头部，具体为，颌带1托住患者下颌、枕带2托住患者的枕骨粗隆部。根据患者病情，选择合适重量的挂锤5悬挂于吊带4的自由端，在挂锤5的重力作用下，患者的颈部受到一个朝向头顶方向的牵引力。在牵引力的作用下，颈椎与颈部肌肉得到拉伸，解除了颈部肌肉的痉挛，增大了椎间隙和椎间孔，调整了关节错位和椎体滑落，调节颈椎内外的平衡，从而使颈椎恢复正常的生理功能。
但是，采用现有技术的枕颌带进行颈部牵引存在不便携及治疗效果不确定等问题。现有技术的枕颌带与患者头颈部贴合，但其自身并不能向患者头颈部施加牵引力，需要与挂锤、牵引轨道的共同作用(挂锤提供牵引力，牵引轨道限定牵引方向)才可实现颈椎牵引，从而造成牵引过程复杂、牵引医疗器械繁琐。在牵引过程中，为了防止牵引方向偏离原定牵引方向，患者需长时间的卧床或静坐，严重限制了患者正常的身体活动，给患者的日常生活与工作带来极大的不便。
同时，目前使用的枕颌带多为批量化生产，具有较为固定的尺码，而人体的头、颈部尺寸因人而异，且存在较大的个性化差异。因此，在实际临床中，许多患者佩戴不适宜的枕颌带，给患者带来不适感，同时也影响了牵引效果。例如，枕颌带过紧，则造成患者呼吸、张口困难，或损伤皮肤；枕颌带过松，颌带发生下滑压迫气管或颈部动脉，若不及时发现，将危及生命。
此外，现有技术的枕颌带的牵引效果难以精确的预算。目前，医者主要依靠经验对患者的牵引效果进行估算，这常造成矫正效果不佳或影响诊疗的有效性。
例如，牵引力的大小是影响牵引效果的关键因素，而牵引力的大小受多个因素的影响，例如，挂锤的质量、枕颌带与人体的接触面积、人体受力点的位置等，因此，很难精确的计算患者颈部实际的受力大小。若牵引力过大则引起过度牵引，轻者造成椎间盘、关节囊的损伤，重者引起神经根、椎动脉的牵拉刺激，加重颈椎病。若牵拉力过小，则在治疗颈椎错位或骨折时，将达不到复位和固定的目的，造成骨折处畸形愈合。
发明内容
本发明实施例中提供了一种基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法，以解决现有技术中的无法制备佩戴便携、舒适、具有最佳矫正效果的颈椎牵引支具的问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
一种基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法，其特征在于，包括：
采集患者颈部的影像学数据；
根据所述影像学数据，建立患者的颈部3D模型；
根据所述颈部3D模型，建立颈椎牵引支具模型，所述颈椎牵引支具模型与颈部3D模型相匹配；模拟颈椎牵引支具模型对颈部3D模型的牵引过程，具体为，将所述颈椎牵引支具模型卡套于颈部3D模型上，使颈椎牵引支具模型的内侧与颈部3D模型的外侧相抵触并发生相互作用；
通过有限元分析法计算颈椎牵引支具模型与颈部3D模型的接触面上每个接触区域的大小及压力值，并判断是否存在接触区域的压力值超出预设的压力阈值范围；
若存在接触区域的压力值超出预设的压力阈值范围，则根据所述接触区域的压力值对所述颈椎牵引支具模型的相应参数进行修正，重新进行有限元分析；
若不存在接触区域的压力值超出预设的压力阈值范围，则通过3D打印机打印所述颈椎牵引支具模型。
优选地，所述采集患者颈部的影像学数据，具体为，采集患者颈部骨骼及颈部表面的影像学数据。
优选地，所述根据所述影像学数据，建立患者的颈部3D模型，具体为，根据所述颈部骨骼的影像学数据，建立患者颈部骨骼的3D模型；根据所述颈部表面的影像学数据，建立患者颈部表面的3D模型，将所述颈部骨骼的3D模型与颈部表面的3D模型一体设计，得到颈部3D模型。
优选地，所述通过有限元分析法计算颈椎牵引支具模型与颈部3D模型的接触面上每个接触区域的大小及压力值之前，包括将颈部3D模型进行网格化分处理，形成颈部有限元分析模型。
优选地，所述颈椎牵引支具模型的相应参数包括高度和厚度。
由以上技术方案可见，本发明实施例提供的一种基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法，利用此方法可为患者提供个性化、舒适，且具有较佳牵引效果的颈椎牵引支具。其结构、尺寸与患者颈部的形状、尺寸相匹配，使颈椎牵引支与患者的头颈部舒适贴合，避免传统颈椎牵引支具因尺寸不合给患者造成的不适感。同时，通过有限元分析法可预测牵引效果，根据其预测结果，精确计算颈椎牵引支具的尺寸与厚度，从而制备具有最佳牵引效果的颈椎牵引支具。
附图说明
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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种为临床中常用的一种枕颌带的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法的流程示意图；
图1-2中的符号分别表示为：1-颌带，2-枕带，3-耳带，4-吊带，5-挂锤。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
3D打印技术是一种通过三维数据模型逐层叠加材料而制成物体的制造技术。近年，随着3D打印与数字医学技术的发展，3D打印在医疗领域得到广泛应用，例如制作医疗模型、个性化组织(器官)产品、个性化手术导板、体外用医疗器械等。
有限元分析法是一种用于分析结构力学的计算方法，应用微分与极限的原理，将一形状不规则、受力不均匀的物体的内部和边界分割成有限大小的、有限数目的、离散的单元，即将原本的一个连续体简化成有限个单元的体系，直观上，物体被划分成“网格”状，在这些单元称为网格。将此离散化的模型作为真实结构的近似模型，并在这个模型上进行数值计算，当划分的网格足够小时，则此数值即可看作物体的真实值。
为解决现有技术中的用于颈部牵引的枕颌带佩戴不便携、不舒适，且其矫正效果无法精确估计的问题，本发明实施例提供一种基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法，利用此方法可为患者提供个性化、舒适、具有较佳牵引效果的颈椎牵引支具。其结构、尺寸与患者颈部的形状、尺寸相匹配，使颈椎牵引支与患者的头颈部舒适贴合，避免传统颈椎牵引支具因尺寸不合给患者造成的不适感。同时，通过有限元分析法可预测牵引效果，根据其预测结果，精确计算颈椎牵引支具的尺寸与厚度，从而制备具有最佳牵引效果的颈椎牵引支具。
以下结合附图对本发明实施例提供的一种基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法进行详细说明。
图2为本发明实施例提供的一种基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法的流程示意图，如图2所示，其包括以下主要步骤：建立患者的颈部3D模型和颈椎牵引支具模型；通过有限元分析法模拟颈椎牵引支具模型的牵引过程、计算颈椎牵引支具模型与颈部3D模型的接触面上每个接触区域的大小及压力值，并判断是否超出预设的压力阈值范围；若是，则对颈椎牵引支具模型的相应参数进行修正，将修正后的颈椎牵引支具模型重新进行有限元分析，直至不存在接触区域的压力值超出预设的压力阈值范围，则通过3D打印机打印所述颈椎牵引支具模型。其具体步骤如下：
步骤S1：采集患者颈部的影像学数据，其中，颈部的影像学数据包括采集患者颈部骨骼正位、侧位的影像学数据和采集颈部表面的影像学数据。获取影像学数据的检测方式有多种，包括CT、MRI、X-Ray等，本领域的技术人员根据实际需要，可自主选择合适的测试方式。例如，利用CT三维扫面同时采集颈部骨骼、关节以及皮肤的三维的影像学数据；或利用X-Ray采集颈部骨骼的影像学数据，利用红外线三维扫描采集颈部表面的影像学数据。
步骤S2：建立患者的颈部3D模型，其主要思路为，将获取的影像学数据传输至计算机中，根据影像学数据，建立患者的颈部3D模型，其中，颈部模型包括颈部骨骼模型与颈部皮肤模型。目前，建立颈部3D模型的方法有多种，包括利用CAD、MIMICS或有限元分析系统等，应当指出，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的建模方式，其均属于本发明的保护范围。
例如，利用CAD建立颈部3D模型，其具体过程为，以X-Ray采集颈部骨骼的影像学数据、为例，首先，根据所述颈部骨骼的影像学数据和颈部表面的影像学数据，分别建立患者颈部骨骼的3D模型和颈部表面的3D模型；然后，将所述颈部骨骼的3D模型与颈部表面的3D模型一体设计，得到颈部骨骼与颈部表面一体的颈部3D模型。在一体设计过程中，将颈部骨骼3D模型与颈部表面3D模型的进行精确的位置匹配，确保合成的颈部3D模型与患者颈部的构造一致。
在本实施例中，利用有限元分析系统建立颈部3D模型，以CT三维扫面采集的颈部骨骼、关节以及皮肤的影像学数据为例，其具体过程为，将CT三维扫面同步采集的颈部骨骼、关节以及皮肤的影像学数据传输至有限元分析系统，有限元分析系统对接收到的影像学数据进行整合处理，得到颈部3D模型。
步骤S3：建立颈椎牵引支具模型，其具体为，颈部3D模型的建立后，根据所建立的颈部3D模型，建立颈椎牵引支具模型。其中，为确保颈椎牵引支具模型符合患者的实际需求，应当使颈椎牵引支具模型与颈部3D模型相匹配，即颈椎牵引支具模型的内侧与颈部3D模型的外侧相吻合，从而确保颈椎牵引支具与患者颈部的舒适贴合。
为了精确估算颈椎牵引支具模型的矫正效果，本实施例中，通过有限元分析法对颈椎牵引支具模具进行牵引模拟和矫正效果的评估，其具体为：
步骤S4：模拟颈椎牵引支具模型对颈部3D模型的牵引过程，具体为，将所述颈部3D模型嵌套在所述颈椎牵引支具模型内部，使所述颈部3D模型的外侧与所述颈椎牵引支具模型的内侧相抵触；
步骤S5：计算颈椎牵引支具模型与颈部3D模型的接触面上每个接触区域的大小及压力值，具体为，
第一步：将颈部3D模型进行网格化分处理，形成颈部有限元分析模型。本领域技术人员可根据颈部3D模型的尺寸，设置合适的网格划分属性，一般情况下，网格划分越密集，预测过程越精确、预测值也越接近真实值；
第二步：通过有限元分析，计算颈椎牵引支具与颈椎皮肤接触面上每个接触区域的大小以及压力值。例如，对下颌骨、枕骨、颈椎椎体、颈椎间盘及颈椎皮肤软组织等进行有限元分析，计算下颌骨、枕骨、颈椎椎体、颈椎间盘及颈椎皮肤软组织受到的压力值大小，计算颈椎牵引支具与颈椎皮肤的接触面的大小。
步骤S6：判断是否存在接触区域的压力值超出预设的压力阈值范围，具体为，依次对下颌骨、枕骨、颈椎椎体、颈椎间盘及颈椎皮肤软组织等各个区域的压力值是否超出预设的压力阈值范围，即是否处于最佳矫正效果的牵引力范围内。
其中，关于压力阈值范围的预设，在牵引过程中，一般压力越大则矫正效果越好，但是，压力越大则人体的舒适度越差，且人体存在压力耐受值上限(人体颈部的压力耐受值上限为35kPa)，若超过此上限，则对人体皮肤造成不必要的损伤，如皮肤会出现压痕。因此，压力阈值范围的选择需要同时兼顾牵引效果和患者的舒适度两个因素。根据患者的病情，医者选择适合的最佳牵引效果的牵引力范围，同时考虑人体颈部的压力耐受值，最终，确定压力阈值范围。例如，某患者为中度颈椎生理曲度变直，则压力阈值范围为25kPa-35kPa。
步骤S61：若是，则对所述颈椎牵引支具模型进行修正，重新进行有限元分析。其具体为，若存在接触区域的压力值超出预设的压力阈值，则对所述颈椎牵引支具模型的相应参数进行修正，颈椎牵引支具模型修正后，将修正后的颈椎牵引支具模型重新进行有限元分析，直至不存在接触区域的压力值超出预设的压力阈值。
其中，颈椎牵引支具模型的相应参数包括高度和厚度等。例如，若颈椎椎体所受的压力值大于预设的压力阈值范围，则相应的减小颈椎牵引支具的高度；若颈椎椎体所受的压力值小于预设的压力阈值范围，则相应的增大颈椎牵引支具的高度。
若颈椎牵引支具与颈椎皮肤接触面上的压力值大于预设的压力阈值范围，则增大颈椎牵引支具的内侧尺寸，从而增加颈椎牵引支具与颈椎皮肤的接触面积，进而减小颈椎皮肤受到的压力。若颈椎牵引支具与颈椎皮肤接触面上的压力值小于预设的压力阈值范围，则减小颈椎牵引支具的内侧尺寸，从而减小颈椎牵引支具与颈椎皮肤的接触面积，进而增大颈椎皮肤受到的压力。
若颈部某个小区域内的压力不适宜，则对应的调整颈椎牵引支具上相应位置的厚度，压力过大，则减小颈椎牵引支具相应位置上的厚度，压力过小，则增加颈椎牵引支具相应位置上的厚度。
步骤S62：若否，通过3D打印机打印所述颈椎牵引支具模型。具体为，若不存在接触区域的压力值超出预设的压力阈值范围，即下颌骨、枕骨、颈椎椎体、颈椎间盘及颈椎皮肤软组织等各个区域的压力值均处于最佳矫正效果的牵引力范围内，则通过3D打印机打印所述颈椎牵引支具模型。
将打印出的颈椎牵引支具固定于患者的下颌骨与锁骨之间，不同与传统枕颌带需要掉锤提供牵引力，本实施例制备的颈椎牵引支具自身便可对患者颈部产生一沿颈部方向的牵引力，且通过调节颈椎牵引支具的高度，即可调节牵引力大。颈椎牵引支具结构简单，使用过程便携，易于广泛的推广使用。
本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法，其特征在于，包括：
采集患者颈部的影像学数据；
根据所述影像学数据，建立患者的颈部3D模型；
根据所述颈部3D模型，建立颈椎牵引支具模型，所述颈椎牵引支具模型与颈部3D模型相匹配；模拟颈椎牵引支具模型对颈部3D模型的牵引过程，具体为，将所述颈椎牵引支具模型卡套于颈部3D模型上，使颈椎牵引支具模型的内侧与颈部3D模型的外侧相抵触并发生相互作用；
通过有限元分析法计算颈椎牵引支具模型与颈部3D模型的接触面上每个接触区域的大小及压力值，并判断是否存在接触区域的压力值超出预设的压力阈值范围；
若存在接触区域的压力值超出预设的压力阈值范围，则根据所述接触区域的压力值对所述颈椎牵引支具模型的相应参数进行修正，重新进行有限元分析；
若不存在接触区域的压力值超出预设的压力阈值范围，则通过3D打印机打印所述颈椎牵引支具模型。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法，其特征在于，所述采集患者颈部的影像学数据，具体为，采集患者颈部骨骼及颈部表面的影像学数据。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法，其特征在于，所述根据所述影像学数据，建立患者的颈部3D模型，具体为，根据所述颈部骨骼的影像学数据，建立患者颈部骨骼的3D模型；根据所述颈部表面的影像学数据，建立患者颈部表面的3D模型，将所述颈部骨骼的3D模型与颈部表面的3D模型一体设计，得到颈部3D模型。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法，其特征在于，所述通过有限元分析法计算颈椎牵引支具模型与颈部3D模型的接触面上每个接触区域的大小及压力值之前，包括将颈部3D模型进行网格化分处理，形成颈部有限元分析模型。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印机打印颈椎牵引支具的方法，其特征在于，所述颈椎牵引支具模型的相应参数包括高度和厚度。
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