CN107802378A - 具有多孔结构的距骨局部修复体及其设计制造方法 - Google Patents

具有多孔结构的距骨局部修复体及其设计制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有多孔结构的距骨局部修复体及其设计制造方法，方法包括下述步骤：1)基于患者CT数据对距骨部位进行模型提取，三维模型重构,并导出stl格式文件；2)将stl格式文件导入三维建模软件Rhinoceros，进行逆向建模设计；3)对局部坏死曲面进行提取并拟合，得到与周围健康曲面曲率吻合的曲面；4)利用拟合曲面进行修复体设计，确定固定钉位置，并利用grasshopper插件完成多孔结构建模；5)利用激光选区熔化技术制备个性化局部距骨修复体；6)对修复体上表面曲面进行打磨抛光，对下部多孔结构进行酸蚀处理。本发明能够达到快速修复的效果，缩短病人的等待时间，提高修复假体供应的响应速度。

Description

具有多孔结构的距骨局部修复体及其设计制造方法
技术领域
本发明涉及修复假体的设计和加工领域，具体涉及一种具有多孔结构的距骨局部修复体的个性化逆向设计与制造方法。
背景技术
距骨在人体足部的生物力学具有重要的作用，人的体重从胫骨通过距骨传至足骨，而且人在足部运动时，腓骨肌产生的应力也作用于距骨上。另外，距骨构成的足纵弓顶，可通过拱形吸收来自地面的震荡。其生物力学运动复杂，且在人体运动中起至关重要的作用。而距骨的局部坏死往往会造成严重的后果，因为其是潜行性的，若由局部坏死扩散至距骨其他部位，则导致骨内结构大量破坏而极难治愈。因此，对于距骨的局部坏死的早期治疗非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有多孔结构的距骨局部修复体的个性化逆向设计与制造方法，作为距骨局部坏死的早期治疗方案，设计一种具有生物相容性的多孔距骨局部修复假体，以促进距骨内部的骨细胞愈合与运动曲面的功能重建。
为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：
本发明一种具有多孔结构的距骨局部修复体，包括距骨局部修复体本体，所述距骨局部修复体本体的曲面与原距骨的滑车关节面贴合，所述距骨局部修复体本体的边缘设有用混接曲面方法将距骨局部修复体本体的两次偏置的曲面进行缝合所获得的一个多孔网格结构，所述多孔网格结构为八面体多孔结构；所述距骨局部修复体本体上设有固定钉。
作为优选的技术方案，多孔网格结构由多根交叉设置的多孔结构杆组成，多孔结构的孔径大小范围为0.5mm-1mm，其多孔结构杆的直径大小范围为0.2mm-0.3mm。
作为优选的技术方案，所述固定钉由圆台和圆锥组成，所述圆台具备一定的倾斜度，圆台的上下底面直径分别为2.45mm和0.88mm,圆台高度为7mm；圆锥的底面直径为0.88mm,高度为0.64mm。
本发明还提供了一种具有多孔结构的距骨局部修复体的设计方法，包括下述步骤：
1)基于患者CT数据对距骨部位进行模型提取，三维模型重构,并导出stl格式文件；
2)将stl格式文件导入三维建模软件Rhinoceros，进行逆向建模设计，具体为：将stl格式文件导入至Rhinocros软件中，进行曲面的逆向重建；利用物象交集功能，设计多个平面与距骨滑车关节面相交，获得相交曲线，利用放样功能，将获得的系列曲线进行放样生成拟合曲面，获得距骨滑车关节面的拟合曲面；
3)对局部坏死曲面进行提取并拟合，得到与周围健康曲面曲率吻合的曲面；
4)利用拟合曲面进行修复体设计，确定固定钉位置，并利用grasshopper插件完成多孔结构建模，具体为：
对上一步骤获得的修复曲面进行偏置增厚，获得实体；利用偏置功能获得一个多孔网格的设计空间，利用Rhinocros软件的Grasshopper插件模块进行多孔结构建模；设计距骨局部修复体的固定钉，将修复实体，固定钉，多孔结构进行群组，删除辅助曲线和曲线，然后导出stl模型；
5)利用激光选区熔化技术制备个性化局部距骨修复体；
6)对修复体上表面曲面进行打磨抛光，对下部多孔结构进行酸蚀处理。
作为优选的技术方案，在步骤1)中，利用CT扫描距骨部位，收集距骨的医学影像数据，获得DICOM格式的数据；将DICOM格式文件导入Mimics软件里面，根据骨与软组织的不同的灰度特征，在二维编辑里面对图像进行多余的部分进行删除，并生成三维数据，导出stl格式文件。
作为优选的技术方案，在步骤3)具体为：对获得的拟合曲面进行调整，以使拟合曲面更加贴合原有stl模型距骨滑车关节面；然后对病变部位利用曲线模式进行勾勒，并利用切割方法对拟合曲面上的病变部位进行分割，获得病变部位的对应修复的曲面。
作为优选的技术方案，所述距骨局部修复体的多孔结构的参数化建模是利用Rhinocros软件的grasshopper插件进行设计，设计类型为八面体多孔结构，其多孔结构的孔径大小范围为0.5mm-1mm，其多孔结构杆的直径大小范围为0.2mm-0.3mm。
作为优选的技术方案，在步骤5)中，所述距骨局部修复体的原材料为Ti6Al4V合金粉末，其粉末球形度好，粒径约为30-40微米；采用激光选区熔化成型设备，对Ti6Al4V合金粉末进行加工成型。
作为优选的技术方案，在步骤5)中，所述激光选区熔化技术需要在构建的实体加厚的侧面进行支撑添加，零件摆放角度为45度；采用螺旋层错扫描和后勾边方式，激光扫描间距为0.08mm,加工层厚为0.03mm,扫描速度为750mm/s，激光功率为150W。
作为优选的技术方案，在步骤6)中，激光选区熔化成型后，先对修复体表面进行喷砂处理，以快速去除粘附的合金粉末和未熔的合金粉末，然后对距骨滑车曲面部分进行打磨抛光处理，直至打磨至镜面效果；对利用混合溶液对多孔网格进行酸蚀处理，所述混合液为HF:HCl＝1:3；最后进行高温高压消毒灭菌处理，应用于临床。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：
本发明基于患者的医学影像数据，结合逆向建模设计，实现局部修复曲面与健康曲面曲率最佳匹配，并利用激光选区熔化技术制备局部修复体，达到快速修复效果，缩短病人的等待时间，提高修复假体供应的响应速度。
附图说明
图1距骨局部修复体设计与加工流程图；
图2为本发明的距骨局部修复体的第一示意图；
图3为本发明的距骨局部修复体的第二示意图。
附图标号：1、多孔网格结构；2、固定钉；3、距骨滑车关节面局部修复曲面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，距骨局部修复体设计与加工流程图。一种具有多孔结构的距骨局部修复体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，包括下述步骤：1)基于患者CT数据对距骨部位进行模型提取，三维模型重构,并导出stl格式文件；2)将stl格式文件导入三维建模软件Rhinoceros，进行逆向建模设计；3)对局部坏死曲面进行提取并拟合，得到与周围健康曲面曲率吻合的曲面；4)利用拟合曲面进行修复体设计，确定固定钉位置，并利用grasshopper插件完成多孔结构建模；5)利用激光选区熔化技术制备个性化局部距骨修复体；6)对修复体上表面曲面进行打磨抛光，对下部多孔结构进行酸蚀处理。
利用医学专用CT仪扫描病人的距骨部位，收集距骨的医学影像数据，获得DICOM格式的数据。将DICOM格式文件导入Mimics软件里面，根据骨与软组织的不同的灰度特征，在二维编辑里面对图像进行多余的部分进行快速删除，注意保留距骨部位，对错误删除的部分可通过添加功能进行图像修复，并生成三维数据，对三维模型数据进行编辑，删除更多的软组织，然后切换回到二维编辑功能中进行精细删除和修补，再生成三维模型，如此循环，直至获得较为完整的距骨模型，导出stl格式文件。
将stl格式文件导入至Rhinocros软件中，进行曲面的逆向重建。利用物象交集功能，设计多个平面与距骨滑车关节面相交，获得相交曲线，利用放样功能，将获得的系列曲线进行放样生成拟合曲面。利用曲面重建功能，选择合适的UV点数量，在该实施例中UV均选择10个点，拟合阶数为3阶，对曲面进行重构。获得重构曲面后，打开编辑点功能，对曲面上的控制点进行微调整，以使曲面更加贴合原距骨的滑车关节面。经过多次微调整后，获得较佳的距骨滑车关节面的拟合曲面。对病变部位利用曲线模式进行勾勒，并利用切割方法对拟合曲面上的病变部位进行分割，获得病变部位的对应修复的距骨滑车关节面局部修复曲面3，如图3所示。对修复曲面进行偏置增厚3mm,以获得距骨局部修复实体。
利用偏置功能，将局部修复曲面进行偏置两次，偏置距离分别为3mm和9mm，用混接曲面方法将两次偏置的曲面进行缝合获得一个多孔网格结构1的设计空间，利用Rhinocros软件的Grasshopper插件模块进行多孔结构参数表化建模。用Brep电池拾取设计空间，用Preset cell电池设计单元体类型，设计类型为八面体多孔结构，利用Uniform DS连接设计空间，并定义单元体尺寸为0.9mm，输出多孔线结构，利用Pipe电池，拾取多孔线结构，并定义多孔结构杆的直径大小0.2mm，最后输出多孔结构实体到Rhinocros窗口中。
设计距骨局部修复体的固定钉2，该固定钉由两部分组成，一部分为具有一定斜度的圆台，一部分为圆锥。圆台的上下底面直径分别为2.45mm和0.88mm,高度为7mm。圆锥的底面直径为0.88mm,高度为0.64mm。将修复实体，固定钉，多孔结构进行群组，删除辅助曲线和曲线，然后导出stl模型。
本发明距骨局部修复体需要通过激光选区熔化成型方法进行整体成型，其原材料为Ti6Al4V合金粉末，其粉末球形度好，粒径约为30-40微米左右。修复体曲面由于是运动接触曲面，需要精密加工，故不能在曲面上加支撑，需要在构建的实体加厚的侧面进行支撑添加，零件摆放角度为45度。由于距骨修复假体存在多孔网格结构，结构微细，均为百微米级结构，需要采用螺旋层错扫描和后勾边方式，使加工更为精密。采用激光选区熔化成型设备，对Ti6Al4V合金粉末进行加工成型。其扫描方式采用螺旋层错扫描，激光扫描间距为0.08mm,加工层厚为0.03mm,扫描速度为750mm/s，激光功率为150W。
激光选区熔化成型后，先对修复体表面进行喷砂处理，以快速去除粘附的合金粉末和未熔的合金粉末，然后对距骨滑车曲面部分进行打磨抛光处理，直至打磨至镜面效果。对利用混合溶液(HF:HCl＝1:3)对多孔网格进行酸蚀处理，处理温度为常温，酸蚀时间为30s，最后利用纯水进行冲洗干净，并在80℃温度下进行烘干。最后进行高温高压消毒灭菌处理，应用于临床。
在本发明制作方法中利用类似流程设计、制造的距骨假体均属本发明保护的范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (10)

1.一种具有多孔结构的距骨局部修复体，其特征在于，包括距骨局部修复体本体，所述距骨局部修复体本体的曲面与原距骨的滑车关节面贴合，所述距骨局部修复体本体的边缘设有用混接曲面方法将距骨局部修复体本体的两次偏置的曲面进行缝合所获得的一个多孔网格结构，所述多孔网格结构为八面体多孔结构；所述距骨局部修复体本体上设有固定钉。
2.根据权利要求1所述的具有多孔结构的距骨局部修复体，其特征在于，多孔网格结构由多根交叉设置的多孔结构杆组成，多孔结构的孔径大小范围为0.5mm-1mm，其多孔结构杆的直径大小范围为0.2mm-0.3mm。
3.根据权利要求1所述的具有多孔结构的距骨局部修复体，其特征在于，所述固定钉由圆台和圆锥组成，所述圆台具备一定的倾斜度，圆台的上下底面直径分别为2.45mm和0.88mm,圆台高度为7mm；圆锥的底面直径为0.88mm,高度为0.64mm。
4.一种具有多孔结构的距骨局部修复体的设计方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)基于患者CT数据对距骨部位进行模型提取，三维模型重构,并导出stl格式文件；
2)将stl格式文件导入三维建模软件Rhinoceros，进行逆向建模设计，具体为：将stl格式文件导入至Rhinocros软件中，进行曲面的逆向重建；利用物象交集功能，设计多个平面与距骨滑车关节面相交，获得相交曲线，利用放样功能，将获得的系列曲线进行放样生成拟合曲面，获得距骨滑车关节面的拟合曲面；
3)对局部坏死曲面进行提取并拟合，得到与周围健康曲面曲率吻合的曲面；
4)利用拟合曲面进行修复体设计，确定固定钉位置，并利用grasshopper插件完成多孔结构建模，具体为：
对上一步骤获得的修复曲面进行偏置增厚，获得实体；利用偏置功能获得一个多孔网格的设计空间，利用Rhinocros软件的Grasshopper插件模块进行多孔结构建模；设计距骨局部修复体的固定钉，将修复实体，固定钉，多孔结构进行群组，删除辅助曲线和曲线，然后导出stl模型；
5)利用激光选区熔化技术制备个性化局部距骨修复体；
6)对修复体上表面曲面进行打磨抛光，对下部多孔结构进行酸蚀处理。
5.根据权利要求1所述的具有多孔结构的距骨局部修复体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，在步骤1)中，利用CT扫描距骨部位，收集距骨的医学影像数据，获得DICOM格式的数据；将DICOM格式文件导入Mimics软件里面，根据骨与软组织的不同的灰度特征，在二维编辑里面对图像进行多余的部分进行删除，并生成三维数据，导出stl格式文件。
6.根据权利要求1所述的具有多孔结构的距骨局部修复体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，在步骤3)具体为：对获得的拟合曲面进行调整，以使拟合曲面更加贴合原有stl模型距骨滑车关节面；然后对病变部位利用曲线模式进行勾勒，并利用切割方法对拟合曲面上的病变部位进行分割，获得病变部位的对应修复的曲面。
7.根据权利要求6所述的具有多孔结构的距骨局部修复体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，所述距骨局部修复体的多孔结构的参数化建模是利用Rhinocros软件的grasshopper插件进行设计，设计类型为八面体多孔结构，其多孔结构的孔径大小范围为0.5mm-1mm，其多孔结构杆的直径大小范围为0.2mm-0.3mm。
8.根据权利要求书1所述的具有多孔结构的距骨局部修复体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，在步骤5)中，所述距骨局部修复体的原材料为Ti6Al4V合金粉末，其粉末球形度好，粒径约为30-40微米；采用激光选区熔化成型设备，对Ti6Al4V合金粉末进行加工成型。
9.根据权利要求书1所述的具有多孔结构的距骨局部修复体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，在步骤5)中，所述激光选区熔化技术需要在构建的实体加厚的侧面进行支撑添加，零件摆放角度为45度；采用螺旋层错扫描和后勾边方式，激光扫描间距为0.08mm,加工层厚为0.03mm,扫描速度为750mm/s，激光功率为150W。
10.根据权利要求书1所述的具有多孔结构的距骨局部修复体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，在步骤6)中，激光选区熔化成型后，先对修复体表面进行喷砂处理，以快速去除粘附的合金粉末和未熔的合金粉末，然后对距骨滑车曲面部分进行打磨抛光处理，直至打磨至镜面效果；对利用混合溶液对多孔网格进行酸蚀处理，所述混合液为HF:HCl＝1:3；最后进行高温高压消毒灭菌处理，应用于临床。
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