CN107951554A - 一种骨科内固定物 - Google Patents

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CN107951554A CN201711076822.8A CN201711076822A CN107951554A CN 107951554 A CN107951554 A CN 107951554A CN 201711076822 A CN201711076822 A CN 201711076822A CN 107951554 A CN107951554 A CN 107951554A
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樊瑜波
李知宇
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Abstract

本发明涉及骨科器械领域，目的在于提供一种骨科内固定物成型方法，所述骨科内固定物成型方法，通过逆向工程确定固定物与宿主骨之间的几何关系，使得固定物与宿主骨之间实现了高度契合，减小应力遮挡，将固定物设计成包括榫部、卯部和燕尾槽栓的榫卯结构，避免对宿主骨的破坏，减少应力集中。本发明的有益效果在于：本发明创造性地提出骨科无源内固定物个性化成型方法，相较于现有技术，本发明的骨科内固物采用榫卯结构实现相互固定，摆脱了对螺丝钉的依赖，避免对宿主骨的破坏，同时避免了固定过程中集中应力的发生。

Description

一种骨科内固定物
本案是以申请日为2015-07-15，申请号为2015104140195，名称为“一种骨科内固定物成型方法”的发明专利为母案而进行的分案申请。
技术领域
本发明涉及骨科器械领域，特别涉及一种骨科内固定物成型方法。
背景技术
骨科内固定技术已广泛应用于临床，杰出的骨科医生，往往不仅是技艺高超的“鲁班”，还是优秀的发明家。基于杆-螺丝钉、板-螺丝钉等结构解决了骨科植入物的固定、受力和耐久性等力学问题。依靠螺丝钉固定的骨科植入物，由于“螺丝钉与宿主骨破坏性的固定方式”、“工业化的棒、板、带、丝等结构无法与个性化的宿主骨表面契合”以及“植入物弹性模量与活体骨之间的差异”等原因，使得植入物固定后，宿主骨会出现“应力集中”和“应力遮挡”等力学现象，由此引起“骨萎缩”、“骨不连”等并发症发生。
因此，如何基于逆向、正向设计，通过3D打印，制造出个性化的无源内固定物，摆脱骨科植入物固定时对螺丝钉的依赖，使宿主骨避免应力集中、减少应力遮挡是一项亟待突破的关键技术。这不仅能在骨生物力学的理论研究上、骨科无源内固定物正向和逆向工程设计的方法上取得新进展，还有望应用于临床。随着人口老龄化、GDP的持续增长和医疗政策改善，中国的骨科器械市场以每年15-20％的速度持续增长。
发明内容
本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供一种可克服应力集中和应力遮挡的骨科内固定物成型方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种骨科内固定物成型方法，包括以下步骤：
步骤1、由断层扫描获得活体骨连续的断层影像，在逆向工程软件中对连续断层影像进行堆栈，在扫描坐标系中重建活体骨的三维模型；
步骤2、计算活体骨的质心和惯量主轴，获取体微元的密度ρ，获取断层图像的水平分辨率Δx、垂直分辨率Δy和层距Δz，ΔV＝ΔxΔyΔz，获取活体骨上点i在扫描坐标系的位置坐标(xoi,yoi,zoi)，将上述参数代入算式：
计算得出α,β,γ，其中(xαi,yαi,zαi)为活体骨上点i在绕x轴转动α后的位置坐标，(xβi,yβi,zβi)为活体骨上点i在绕x轴转动α再绕y轴转动β后的位置坐标；
步骤3、将扫描坐标系绕x轴转动α，绕y轴转动β，绕z轴转动γ，将扫描坐标系的原点移动至活体骨的质心，实现活体骨的姿态定位；
步骤4、获得步骤3中活体骨表面上的点i的坐标(xi,yi,zi)，代入算式：
获得点i在放大活体骨上的坐标(xi',yi',zi')，其中Dx(xi,s,c),Dy(yi,s,c),Dz(zi,s,c)表示割圆曲线，s表示放大倍数，c表示点i所处的位置曲线的凸凹性，进而计算得出放大活体骨的三维模型，将放大活体骨与活体骨之间做“或”布尔运算，得到活体骨的铠甲；
步骤5、将步骤4中的活体骨的铠甲剪裁设计成包括榫部、卯部和燕尾槽栓的榫卯结构。
本发明的有益效果在于：本发明创造性地提出骨科无源内固定物个性化成型方法，相较于现有技术，本发明的骨科内固物采用榫卯结构实现相互固定，摆脱了对螺丝钉的依赖，避免对宿主骨的破坏，同时避免了固定过程中集中应力的发生；固定物与宿主骨之间的几何关系来自逆向工程，使得固定物与宿主骨之间实现了高度契合，由此减少了固定物与宿主骨之间应力遮挡；这两项技术从源头上解决了骨萎缩、骨不连等并发症的发生。
附图说明
图1是本发明实施例骨科内固定物成型方法的流程图；
图2是本发明实施例第一跖骨三维重建示意图；
图3是本发明实施例第一跖骨姿态定位之前的状态图；
图4是本发明实施例第一跖骨姿态定位之后的状态图；
图5是本发明实施例第一跖骨姿态定位前后的对比图；
图6是本发明实施例第一跖骨铠甲立体图；
图7是本发明实施例第一跖骨铠甲主视图；
图8是本发明实施例第一跖骨铠甲俯视图；
图9是本发明实施例第一跖骨铠甲和第一跖骨的结合图；
图10是本发明实施例第一跖骨铠甲的榫卯结构示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
本发明最关键的构思在于：通过逆向工程确定固定物与宿主骨之间的几何关系，使得固定物与宿主骨之间实现了高度契合，减小应力遮挡，将固定物设计成包括榫部、卯部和燕尾槽栓的榫卯结构，避免对宿主骨的破坏，减少应力集中。
请参阅图1所示，本实施例的骨科内固定物成型方法，包括以下步骤：
步骤1、由断层扫描获得活体骨连续的断层影像，在逆向工程软件中对连续断层影像进行堆栈，在扫描坐标系中重建活体骨的三维模型；
步骤2、计算活体骨的质心和惯量主轴，获取体微元的密度ρ，获取断层图像的水平分辨率Δx、垂直分辨率Δy和层距Δz，ΔV＝ΔxΔyΔz，获取活体骨上点i在扫描坐标系的位置坐标(xoi,yoi,zoi)，将上述参数代入算式：
计算得出α,β,γ，其中(xαi,yαi,zαi)为活体骨上点i在绕x轴转动α后的位置坐标，(xβi,yβi,zβi)为活体骨上点i在绕x轴转动α再绕y轴转动β后的位置坐标；
步骤3、将扫描坐标系绕x轴转动α，绕y轴转动β，绕z轴转动γ，将扫描坐标系的原点移动至活体骨的质心，实现活体骨的姿态定位；
步骤4、获得步骤3中活体骨表面上的点i的坐标(xi,yi,zi)，代入算式：
获得点i在放大活体骨上的坐标(xi',yi',zi')，其中Dx(xi,s,c),Dy(yi,s,c),Dz(zi,s,c)表示割圆曲线，s表示放大倍数，c表示点i所处的位置曲线的凸凹性，进而计算得出放大活体骨的三维模型，将放大活体骨与活体骨之间做“或”布尔运算，得到活体骨的铠甲；
步骤5、将步骤4中的活体骨的铠甲剪裁设计成包括榫部、卯部和燕尾槽栓的榫卯结构。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明创造性地提出骨科无源内固定物个性化成型方法，相较于现有技术，本发明的骨科内固物采用榫卯结构实现相互固定，摆脱了对螺丝钉的依赖，避免对宿主骨的破坏，同时避免了固定过程中集中应力的发生；固定物与宿主骨之间的几何关系来自逆向工程，使得固定物与宿主骨之间实现了高度契合，由此减少了固定物与宿主骨之间应力遮挡；这两项技术从源头上解决了骨萎缩、骨不连等并发症的发生。
进一步的，在步骤4和步骤5之间还包括：通过活体骨和骨内固定物的弹性模量计算和力学计算，确定活体骨的铠甲各点的厚度。
由上述描述可知，由于骨铠甲的厚度是非均匀的，每一点的厚度均根据其到主轴之间的密质骨的厚度来决定，根据密质骨与内固定物材料(钛合金)的弹性模量结合力学仿真分析进行强度、耐久性分析以确定内固定物的最终力学结构。
进一步的，在步骤5之后还包括：通过3D打印技术制造榫部、卯部和燕尾槽栓。
由上述描述可知，3D打印技术成本低，成型速度快，成型精度高，形状不受限制，十分契合本发明中固定物的生产，可适应不同患者的需求。
请参照图2至图10所示，本发明的实施例一为：
对健侧第1跖骨进行扫描重建、定位、放大、剪裁、榫卯设计和镜像处理，包括具体以下步骤：
(1)左侧第一跖骨三维重建：由断层扫描获得健侧第一跖骨连续的断层影像，在影像逆向工程软件中对连续断层进行堆栈，实现第一跖骨的三维重建；
(2)左侧第一跖骨姿态定位：计算第一跖骨的质心和惯量主轴，在笛卡尔坐标系中，把第一跖骨的扫描轴和与之垂直的其他两个坐标轴分别转动到惯量主轴上，坐标原点移动到第一跖骨的质心上，完成姿态定位。第一跖骨扫描坐标与惯量主轴之间角位移，由以下方程计算：
式中ρ表示体微元的密度，ΔV＝ΔxΔyΔz，Δx,Δy,Δz分别为断层图像的水平分辨率、垂直分辨率和层距，α,β,γ分别表示绕x,y,z轴转动的角位移，(xoi,yoi,zoi)为第一跖骨上点i在扫描坐标系的位置坐标，(xαi,yαi,zαi)为第一跖骨上点i在绕x转动α后的位置坐标，(xβi,yβi,zβi)为第一跖骨上点i在绕x转动α再绕y轴转动β后的位置坐标。
(3)放大和布尔运算：对于定位后的第一跖骨，通过割圆曲线放大第一跖骨并与第一跖骨之间做“或”布尔运算，得到第一跖骨铠甲。凸凹函数的放大采用以下方法：
式中(xi,yi,zi)表示第一跖骨表面上的点i分别表示绕x,y,z轴转动α,β,γ后的位置坐标，Dx(xi,s,c),Dy(yi,s,c),Dz(zi,s,c)表示割圆曲线，s表示放大倍数，c表示点i所处的位置曲线的凸凹性。
(4)榫卯设计：根据右侧第一趾骨损伤状况、固定位置等情况，剪裁骨铠甲并把它设计成包括榫部、卯部和燕尾槽栓的榫卯结构。
(5)仿真计算：骨铠甲的厚度是非均匀的，每一点的厚度均根据其到主轴之间的密质骨的厚度来决定，根据密质骨与内固定物材料(钛合金)的弹性模量结合力学仿真分析进行强度、耐久性分析以确定内固定物的最终力学结构。
通过本实施例，由扫描获得健侧活体骨的断层影像，对重建的健侧活体骨进行定位、放大、布尔运算、榫卯结构设计、镜像处理和快速制造等步骤得到与宿主骨表面契合、力学耦合的内固定物。基于健侧骨得到与患侧骨表面契合的骨铠甲，通过榫卯设计，摆脱了骨科内固定物对螺丝钉的依赖，从而使骨科内固定物不会对宿主骨造成“应力集中”，减少“应力遮挡”。这正是本发明的创新之处。
综上所述，本发明提供的骨科内固定物成型方法，骨科内固物采用榫卯结构实现相互固定，摆脱了对螺丝钉的依赖，避免对宿主骨的破坏，同时避免了固定过程中集中应力的发生；固定物与宿主骨之间的几何关系来自逆向工程，使得固定物与宿主骨之间实现了高度契合，由此减少了固定物与宿主骨之间应力遮挡；这两项技术从源头上解决了骨萎缩、骨不连等并发症的发生，由于骨铠甲的厚度是非均匀的，每一点的厚度均根据其到主轴之间的密质骨的厚度来决定，根据密质骨与内固定物材料的弹性模量结合力学仿真分析进行强度、耐久性分析以确定内固定物的最终力学结构，同时采用3D打印技术，成本低，成型速度快，成型精度高，形状不受限制，因此3D打印必将在个性化医疗中扮演重要角色。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种骨科内固定物，其特征在于，采用下述成型方法制得，所述成型方法包括以下步骤：
步骤1、由断层扫描获得活体骨连续的断层影像，在逆向工程软件中对连续断层影像进行堆栈，在扫描坐标系中重建活体骨的三维模型；
步骤2、计算活体骨的质心和惯量主轴，获取体微元的密度ρ，获取断层图像的水平分辨率Δx、垂直分辨率Δy和层距Δz，ΔV＝ΔxΔyΔz，获取活体骨上点i在扫描坐标系的位置坐标(xoi,yoi,zoi)，将上述参数代入算式：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mi>arctan</mi> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;Sigma;y</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>V</mi> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;y</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>V</mi> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;z</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>V</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mi>arctan</mi> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;Sigma;x</mi> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>V</mi> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;x</mi> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>V</mi> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;z</mi> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>V</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mi>arctan</mi> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;Sigma;x</mi> <mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>V</mi> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;x</mi> <mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>V</mi> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;y</mi> <mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>V</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
计算得出α,β,γ，其中(xαi,yαi,zαi)为活体骨上点i在绕x轴转动α后的位置坐标，(xβi,yβi,zβi)为活体骨上点i在绕x轴转动α再绕y轴转动β后的位置坐标；
步骤3、将扫描坐标系绕x轴转动α，绕y轴转动β，绕z轴转动γ，将扫描坐标系的原点移动至活体骨的质心，实现活体骨的姿态定位；
步骤4、获得步骤3中活体骨表面上的点i的坐标(xi,yi,zi)，代入算式：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>c</mi> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>y</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>c</mi> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>z</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>(</mo> <msub> <mi>z</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>c</mi> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
获得点i在放大活体骨上的坐标(xi',yi',zi')，其中Dx(xi,s,c),Dy(yi,s,c),Dz(zi,s,c)表示割圆曲线，s表示放大倍数，c表示点i所处的位置曲线的凸凹性，进而计算得出放大活体骨的三维模型，将放大活体骨与活体骨之间做“或”布尔运算，得到活体骨的铠甲；
步骤5、将步骤4中的活体骨的铠甲剪裁设计成包括榫部、卯部和燕尾槽栓的榫卯结构，获得所述骨科内固定物，所述骨科内固定物的材料为钛合金，所述骨科内固定物与宿主骨表面契合且力学耦合；
在步骤4和步骤5之间还包括：
通过活体骨和骨内固定物的弹性模量计算和力学计算，进行强度和耐久性分析，确定活体骨的铠甲各点的厚度。
2.根据权利要求1所述的骨科内固定物，其特征在于，在步骤5之后还包括：
通过3D打印技术制造榫部、卯部和燕尾槽栓。
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