CN106156511B - 一种用于复杂骨盆髋臼骨折个性化接骨板的制备方法 - Google Patents

一种用于复杂骨盆髋臼骨折个性化接骨板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于复杂骨盆髋臼骨折个性化接骨板的制备方法，包括下述步骤：基于病人的医学图像DICOM格式的CT扫描数据，导入到医学图像软件Minics，建立病人的盆骨模型；其中，将病人的未破碎盆骨一侧的数据保存成STL格式的数据，导出；将STL格式的数据导入到Geomagic Studio软件中进行处理，保存为STP格式的文件，导出；将导出的STP文件数据导入到SolidWorks中，提取骨头曲面，进行逆向设计，设计出适合于不同个体的复杂盆骨髋臼骨折的个性化接骨板模型。本发明根据不同人的盆骨的破碎情况，设计出属于个体的接骨板，匹配性高；同时3D打印技术可以加工复杂结构的零件，加工周期短，非常适合小批量的个性化定制。

Description

一种用于复杂骨盆髋臼骨折个性化接骨板的制备方法
技术领域
本发明涉及医用接骨部件，尤其涉及一种用于复杂骨盆髋臼骨折个性化接骨板的制备方法。
背景技术
盆骨髋臼骨折发生率相对较低一还不到骨科创伤病例总数的2％，多由高速交通伤所致，其它致伤原因如坠落伤、运动等所致髋臼骨折相对少见。但是盆骨髋臼骨折往往会对其它脏器、血管神经损伤，并对髋关节解剖结构毁损严重，故髋臼骨折具有相对较高的致死率和致残率，而且骨盆髋臼骨折因其部位较深、骨性结构不规则、周围血管神经众多，且骨折类型多样，手术创伤大、复位固定困难。此外，使用腹直肌外侧入路能利用小切口充分暴露骨折部位，减小手术创伤，但普通接骨板匹配性差，一次手术需要标准接骨板数量大，无法实现治疗的个性化，成为限制骨盆髋臼骨折微创治疗的最大阻碍，因此迫切需要个体化接骨板来满足临床需要。
3D打印技术是一种通过三维数据，由逐层的方式结合材料以制造构件的技术，成为近年来制造业重大的技术手段之一，相比于传统工艺，3D打印的制造方式的变革带来了更大的设计以及制造自由度，因而在复杂结构以及个性化结构的加工中，无论在成本还是交付时间上，都体现出传统技术无可比拟的优势。其中激光选区熔化技术所具有的快速性、准确性以及快速加工复杂形状工件的特点特别。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种制备工艺简单、匹配性好的用于复杂骨盆髋臼骨折个性化接骨板的制备方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于复杂骨盆髋臼骨折个性化接骨板的制备方法，包括下述步骤：
S11、基于病人的医学图像DICOM格式的CT扫描数据，导入到医学图像软件Minics，建立病人的盆骨模型；其中，将病人的未破碎盆骨一侧的数据保存成STL(binary)格式的数据，导出；
S12、将STL格式的数据导入到Geomagic Studio软件中进行处理，保存为STP格式的文件，导出；
S13、将导出的STP文件数据导入到SolidWorks中，提取骨头曲面，进行逆向设计，设计出适合于不同个体的复杂盆骨髋臼骨折的个性化接骨板模型。
上述步骤S11中，运用医学图像软件Minics建立盆骨模型的具体步骤是：CT扫描得到的完整人体数据，导入到Mimics16.0中，根据软组织和骨骼在图像中不同的灰度特点进行图像的分割处理，再根据各骨头位置的不同，将无损一侧盆骨数据从整体数据中分割、修补处理后，进行三维重建，建立无损一侧盆骨的数字化模型。
上述步骤S12中，将导出的STL文件数据导入到Geomagic Studio软件中进行处理的具体步骤是：将STL数据导入后，首先进行网格医生进行初步修复，并进行噪点的消除；然后通过精确曲面—构造曲面片(曲面片进行划分)--构造网栅--曲面拟合等步骤，得到需要的曲面数据，保存为STP数据文件，导出。
上述步骤S13中，将导出的STP文件数据导入到SolidWorks中，提取骨头曲面，进行逆向设计，设计个性化接骨板，具体步骤是：将STP文件数据导入SolidWorks中，根据病人盆骨的破碎情况来设计接骨板的大小与形状，在设计接骨板时，以破碎一侧盆骨作为参照，在STP文件数据中提取大致的接骨板大小范围，提取这些区域作为初始设计曲面，然后根据病人盆骨的破损程度对接骨板的待固定区域确定螺钉位置，这些螺钉用来固定大块碎骨，并由这些螺钉的位置对曲面进行裁剪，获得较为规则的接骨板曲面，然后向外加厚该曲面；接骨板的厚度控制在3mm～3.5mm之间；
对接骨板的螺钉位置进行螺钉孔的制定，导入不同类型的螺钉于该(特定)位置，提取螺钉表面曲面，调整位置，对接骨板进行曲面切除，得到带螺钉孔的接骨板，最后对接骨板的边缘处进行修正，圆滑边界，得到最终的接骨板模型，保存为STL文件，导出。
S21：将S13所设计的个性化接骨板模型导入到Materialise Magics软件中，进行零件的摆放、支撑的添加，切片，最后得到CLI的切片文件；
S22：将CLI的切片文件导入路径规划软件中进行路径规划，对不同切片文件进行扫描方式、扫描间距等参数的设置，最后保存得到PLT的路径规划文件；
S23：将PLT的路径规划文件导入到增材制造设备中，进行激光选区熔化3D打印，直到加工完成得到个性化接骨板；
S24：对3D打印完成的个性化接骨板进行去应力退火的热处理，然后除去支撑、滚抛、除油、酸洗、喷砂、抛光、阳极氧化或者微弧氧化、清洁、消毒、包装，最终达到医用使用标准，完成个性化接骨板的最终制作。
上述步骤S21中，支撑的类型为线支撑、块状支撑和锥形支撑，分层层厚为0.03～0.04mm。
上述步骤S22中，锥形支撑和接骨板实体采用S型正交扫描方式，线支撑和块状支撑采用轮廓扫描；扫描间距为0.06～0.1mm。
上述步骤S23中，增材制造设备的3D打印过程采用钛合金(TC4)粉末。
上述步骤S23中，增材制造设备的3D打印及参数设置：扫描速度400～500mm/s、激光功率140～150W、层厚0.03～0.04mm、扫描间距0.06～0.1mm。
上述步骤S24中，热处理过程为：加热温度780℃～800℃，保温1.5～2.5h，炉冷至400～450℃空冷，采用氩气作为保护气体。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明可以根据不同人的盆骨的破碎情况，设计出属于个体的接骨板，匹配性高，避免了传统标准接骨板使用数量大，匹配性差的缺点。
3D打印技术克服了传统冶金工艺的缺点，使形状复杂的个性化接骨板快速、精确制造真正成为现实。金属3D接骨板与患者骨盆髋臼解剖结构完全匹配，提高骨折复位固定质量，降低了手术难度和手术风险，提高临床治疗效果，实现骨盆髋臼骨折治疗的“个性化、精准化”。而且3D打印技术加工复杂结构的零件，加工周期短，非常适合小批量的个性化定制，也显示了3D打印技术在个性化植入体的广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为个性化接骨板设计时初始曲面范围图。
图3为个性化接骨板设计时初步裁剪后的曲面范围图。
图4个性化接骨板设计最终模型图；图中A所示为接骨板，B所示为螺钉孔。
具体实施方式
下面结合图1至4及具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
1、运用医学图像软件Minics建立盆骨模型的具体步骤是：CT扫描得到的完整人体数据，导入到Mimics16.0中，根据软组织和骨骼在图像中不同的灰度特点进行图像的分割处理，再根据各骨头位置的不同，将无损一侧盆骨数据从整体数据中分割、修补处理后，进行三维重建，建立无损一侧盆骨的数字化模型。保存成STL(binary)格式的数据，导出。
2.将导出的STL文件数据导入到Geomagic Studio软件中进行处理，首先进行网格医生进行初步修复，并进行噪点的消除。然后通过精确曲面—构造曲面片(曲面片进行划分)--构造网栅--曲面拟合等步骤，最后对所得到的得到需要的曲面数据，保存为STP数据文件，导出。
3.将导出的STP文件数据导入到SolidWorks中，根据病人盆骨的破碎情况来设计接骨板的大小与形状，在设计接骨板时，以破碎一侧盆骨作为参照，在STP文件数据中提取大致的接骨板大小范围。提取这些区域作为初始设计曲面(如图2所示)；然后根据病人盆骨的破损程度对接骨板的某些区域确定螺钉位置，这些螺钉用来固定大块碎骨，并由这些螺钉的位置对曲面进行裁剪，获得较为规则的接骨板曲面(如图3所示)，然后向外加厚该曲面，接骨板的厚度控制在3mm～3.5mm之间。对接骨板的螺钉位置进行螺钉孔的制定，导入不同类型的螺钉于特定位置，提取螺钉表面曲面，调整位置，对接骨板进行曲面切除，得到带螺钉孔的接骨板，最后对接骨板的边缘处进行修正，圆滑边界，得到最终的接骨板模型(如图4所示)，保存为STL文件，导出。
4.将所设计的个性化接骨板模型导入到Materialise Magics软件中，进行零件的摆放、支撑的添加，支撑的类型为线支撑、块状支撑和锥形支撑，切片，切片层厚为0.04mm，最后得到CLI的切片文件；
5.将CLI的切片文件导入路径规划软件中进行路径规划，对不同切片文件进行扫描方式、扫描间距等参数的设置，其中锥形支撑和接骨板实体采用S型正交扫描方式，线支撑和块状支撑采用轮廓扫描，扫描间距为0.08mm；最后保存得到PLT的路径规划文件；
6.将PLT的路径规划文件导入到增材制造设备中，通入普通氩气或高纯氩气的惰性气体，准备进行激光选区熔化的3D打印过程；
7.开始进行激光选区熔化的3D打印，过程为：利用柔性铺粉刷装置将粉末铺平在基板上，然后工控机控制光纤激光器出光，控制振镜转动，驱动激光按照模型分层后的路径规划数据对粉末进行熔化，粉末熔化后凝结在下一层基体上，然后成型缸下降一个层厚的高度，粉料缸上升一个供粉量的高度，铺粉装置再次送粉、铺粉、熔化粉末，重复这个过程，直到加工完成。
8.对3D打印完成的个性化接骨板进行去应力退火的热处理，热处理工艺：加热至800℃，保温2h，炉冷至450℃空冷，氩气为保护气体，然后除去支撑、滚抛、除油、酸洗、喷砂、抛光、阳极氧化或者微弧氧化、清洁、消毒、包装，最终达到医用使用标准，完成个性化接骨板的最终制作。
所述的激光选区熔化制造工艺，基本工艺参数为：粉末为钛合金(TC4)粉末；扫描速度：400～500mm/s、激光功率：140～150W、层厚：0.03～0.04mm、扫描间距：0.06～0.1mm。本例中优选为扫描速度：400mm/s、扫描间距：0.08mm、激光功率：150W。此参数不是固定要求，可以按照实际加工情况加以改变。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于复杂盆骨髋臼骨折个性化接骨板的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
S11、基于病人的医学图像DICOM格式的CT扫描数据，导入到医学图像软件Minics，建立病人的盆骨模型；其中，将病人的未破碎盆骨一侧的数据保存成STL格式的数据，导出；
S12、将STL格式的数据导入到Geomagic Studio软件中进行处理，保存为STP格式的文件，导出；
S13、将导出的STP文件数据导入到SolidWorks中，提取骨头曲面，进行逆向设计，设计出适合于不同个体的复杂盆骨髋臼骨折的个性化接骨板模型；
步骤S11中，运用医学图像软件Minics建立盆骨模型的具体步骤是：CT扫描得到的完整人体数据，导入到Mimics16.0中，根据软组织和骨骼在图像中不同的灰度特点进行图像的分割处理，再根据各骨头位置的不同，将无损一侧盆骨数据从整体数据中分割、修补处理后，进行三维重建，建立无损一侧盆骨的数字化模型；
步骤S12中，将导出的STL文件数据导入到Geomagic Studio软件中进行处理的具体步骤是：将STL数据导入后，首先进行网格医生进行初步修复，并进行噪点的消除；然后通过精确曲面，得到需要的曲面数据，保存为STP数据文件，导出；
步骤S13中，将导出的STP文件数据导入到SolidWorks中，提取骨头曲面，进行逆向设计，设计个性化接骨板，具体步骤是：将STP文件数据导入SolidWorks中，根据病人盆骨的破碎情况来设计接骨板的大小与形状，在设计接骨板时，以破碎一侧盆骨作为参照，在STP文件数据中提取接骨板大小范围，提取这些区域作为初始设计曲面，然后根据病人盆骨的破损程度对接骨板的待固定区域确定螺钉位置，这些螺钉用来固定大块碎骨，并由这些螺钉的位置对曲面进行裁剪，获得规则的接骨板曲面，然后向外加厚该曲面；接骨板的厚度控制在3mm～3.5mm之间；
对接骨板的螺钉位置进行螺钉孔的制定，导入不同类型的螺钉于该位置，提取螺钉表面曲面，调整位置，对接骨板进行曲面切除，得到带螺钉孔的接骨板，最后对接骨板的边缘处进行修正，圆滑边界，得到最终的接骨板模型，保存为STL文件，导出。
2.根据权利要求1所述用于复杂盆骨髋臼骨折个性化接骨板的制备方法，其特征在于：
S21：将S13所设计的个性化接骨板模型导入到Materialise Magics软件中，进行零件的摆放、支撑的添加，切片，最后得到CLI的切片文件；
S22：将CLI的切片文件导入路径规划软件中进行路径规划，对不同切片文件进行扫描方式、扫描间距参数的设置，最后保存得到PLT的路径规划文件；
S23：将PLT的路径规划文件导入到增材制造设备中，进行激光选区熔化3D打印，直到加工完成得到个性化接骨板；
S24：对3D打印完成的个性化接骨板进行去应力退火的热处理，然后除去支撑、滚抛、除油、酸洗、喷砂、抛光、阳极氧化或者微弧氧化、清洁、消毒、包装，最终达到医用使用标准，完成个性化接骨板的最终制作。
3.根据权利要求2所述用于复杂盆骨髋臼骨折个性化接骨板的制备方法，其特征在于，步骤S21中，支撑的类型为线支撑、块状支撑和锥形支撑，分层层厚为0.03～0.04mm。
4.根据权利要求2所述用于复杂盆骨髋臼骨折个性化接骨板的制备方法，其特征在于，步骤S22中，锥形支撑和接骨板实体采用S型正交扫描方式，线支撑和块状支撑采用轮廓扫描；扫描间距为0.06～0.1mm。
5.根据权利要求2所述用于复杂盆骨髋臼骨折个性化接骨板的制备方法，其特征在于，步骤S23中，增材制造设备的3D打印过程采用钛合金粉末。
6.根据权利要求2所述用于复杂盆骨髋臼骨折个性化接骨板的制备方法，其特征在于，步骤S23中，增材制造设备的3D打印及参数设置：扫描速度400～500mm/s、激光功率140～150W、层厚0.03～0.04mm、扫描间距0.06～0.1mm。
7.根据权利要求2所述用于复杂盆骨髋臼骨折个性化接骨板的制备方法，其特征在于，步骤S24中，热处理过程为：加热温度780℃～800℃，保温1.5～2.5h，炉冷至400～450℃空冷，采用氩气作为保护气体。
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