CN108030532A - 个性化多孔结构的距骨修复体、截骨手术导板及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种个性化多孔结构的距骨修复体、截骨手术导板及其设计方法，设计方法包括下述步骤：CT数据提取，重构距骨的三维模型,并导出stl格式文件；将距骨stl文件导入三维建模软件Rhinoceros，进行逆向建模设计；利用三刀法进行截骨，并拟合得到与原距骨滑车关节曲面曲率吻合的曲面；利用grasshopper插件在假体截骨面设计随机表面多孔结构，提高假体生物相容性，利于新骨长入和固定利用外踝关节面作为固定面，设计截骨手术导板；将所述的手术导板，距骨假体与距骨stl模型进行装配，建立虚拟的距骨截骨与修复导航。本发明是基于患者的距骨CT数据的基础上，结合逆向建模设计与正向建模设计，设计距骨修复体与截骨导航。

Description

个性化多孔结构的距骨修复体、截骨手术导板及其设计方法

技术领域

本发明涉及距骨修复体与手术导板的设计方法，具体涉及一种个性化多孔结构的距骨修复体、截骨手术导板及其设计方法。

背景技术

距骨是传递人体重力至足部的重要枢纽，在人体足部的生物力学具有重要的作用，具有独特的解剖结构，其大部分骨质被关节软骨覆盖。由于其复杂的生物力学作用，当距骨受到承重性破坏时，造成距骨头坏死。如何有效的修复距骨，重建踝关节的生物力学功能是需要考虑的重要问题。距骨解剖结构不规则，在距骨修复中如何进行准确的截骨，运动关节面修复仍然是一难点。

近年来，3D打印技术在医学上的应用正在国内形成一股研究的浪潮。通过3D打印技术可制备具有复杂空间结构的零部件产品，国内许多学者已将该技术应用于医学领域，包括医学手术模型的建立，手术导板的制作，膝关节置换股骨假体，髋关节置换假体等的制作。而距骨假体的复杂不规则形状，增大了其设计的困难性，因此，亟需开发一种用于距骨个性化修复体及其截骨手术导板的设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种个性化多孔结构的距骨修复体、截骨手术导板及其设计方法，重建踝关节的生物力学功能，为距骨坏死的假体置换提供新的治疗方案。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

本发明的一种个性化多孔结构的距骨修复体，包括距骨修复体本体，所述距骨修复体本体的上表面为一曲面，所述距骨修复体本体的下表面为切除距骨坏死部位形成的第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面，所述第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面沿距骨修复体的下表面依次排列；所述第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面上布满有随机六边形多孔结构；所述第二截骨平面上设有用于第二截骨平面上固定假体的固定钉。

作为优选的技术方案，所述随机六边形多孔结构位具有一定厚度的随机六边形多孔结构；所述随机六边形多孔结构的设计方法如下：

用populate 2D电池在第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面上布置随机点，并利用Voronoi电池生成随机六边形，将获得的随机六边形的平面曲线集合，连接Weaverbird’s Picture Frame电池在六边形中间挖洞镂空，形成随机六边形多孔平面集合，利用Weaverbird’s Mesh Thicken电池将随机六边形多孔二维平面进行增厚，获得具有一定厚度的随机六边形多孔结构，并利用bake功能将多孔结构实体输出到Rhinocros窗口中，完成表面随机多孔结构的设计。

作为优选的技术方案，所述固定钉为两颗，所述固定钉的法向方向为第二截骨平面的法向方向。

作为优选的技术方案，所述固定钉为直径为5mm、高度为8mm的圆柱与直径为5mm的半圆球组成。

本发明还公开了一种用于个性化多孔结构的距骨修复体的距骨截骨手术导板，包括第一截骨辅助导板、第二截骨辅助导板和第三骨辅助导板，所述第一截骨辅助导板、第二截骨辅助导板和第三骨辅助导板的形状和设置方向分别与第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面形状和设置方向一致；所述第二截骨辅助导板通过连接桥连接有用于固定距骨的外踝关节面作为导板固定板，所述固定板上设有两个固定孔。

作为优选的技术方案，第一截骨辅助导板、第二截骨辅助导板和第三骨辅助导板为偏置增厚设计的结构，其厚度均为1.5mm。

本发明公开的一种个性化多孔结构的距骨修复体与截骨手术导板的设计方法，包括下述步骤：

1)利用CT扫描仪采集距骨部位的医学影像数据，获得CT数据；

2)将CT数据导入Mimics软件，根据灰度特征，在二维编辑里面对图像进行编辑，将二维数据转换为三维数据，导出响应的距骨stl格式文件；

3)将距骨stl格式文件导入至Rhinocros软件中，进行逆向重建与正向设计；

4)利用三刀法，将距骨坏死的滑车关节面进行切除；

5)利用交集功能，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；对拟合曲面进行调整，以使拟合曲面更加贴合原有stl模型距骨滑车关节面；

6)利用Grasshopper插件对截骨平面进行随机多孔建模，利用Voronoi电池建立随机多孔表面；

7)将距骨滑车关节面，与截骨平面和随机多孔表面进行缝合，构建距骨滑车关节面置换假体，并在截骨平面下设计两个固定钉；

8)利用截骨平面设计距骨截骨手术导板，提取距骨的外踝关节面作为导板固定曲面，将固定曲面进行偏置增厚，与截骨辅助平面进行连接，获得截骨手术导板。

作为优选的技术方案，步骤3)中，进行逆向重建与正向设计的具体方法为：

将stl格式文件导入至Rhinocros软件中，进行滑车关节面置换体逆向重建，利用交集功能，布置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，重建曲面，选择合适的UV点数量，拟合阶数为3阶，对曲面进行重构，获得距骨滑车关节面的拟合曲面。

作为优选的技术方案，步骤6)中，所述随机多孔表面的具体设计方法如下：

利用Rhinocros软件的Grasshopper插件模块进行随机多孔结构参数表化建模，用surface电池拾取第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面，用populate 2D电池在上述截骨平面布置随机点，并利用Voronoi电池生成随机六边形，将获得的随机六边形的平面曲线集合，连接Weaverbird’s Picture Frame电池在六边形中间挖洞镂空，形成随机六边形多孔平面集合，利用Weaverbird’s Mesh Thicken电池将随机六边形多孔二维平面进行增厚，获得具有一定厚度的随机六边形多孔结构，并利用bake功能将多孔结构实体输出到Rhinocros窗口中，完成表面随机多孔结构的设计。

作为优选的技术方案，步骤8)中，获得截骨手术导板的具体方法为：

利用截骨平面设计距骨截骨手术导板，所述第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面延伸至距骨边缘，设计第一截骨辅助结构、第二截骨辅助结构和第三骨辅助结构，并进行偏置增厚；提取距骨的外踝关节面作为导板固定曲面，利用截面相交法获得曲面上的曲线特征，将多条曲线进行放样拟合获得固定曲面，将固定曲面进行偏置增厚，获得固定板；在固定板上确定钉位，设计两个钉孔，用于手术导板的固定；在固定板与截骨辅助导板之间进行连接，获得连接桥。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

1、本发明是基于患者的距骨CT数据的基础上，结合逆向建模设计与正向建模设计，设计距骨修复体与截骨手术导板，还原度高，适配性强。

2、通过本发明的方法可快速修复距骨，重建踝关节的生物力学功能。

附图说明

图1为本发明的距骨滑车关节面置换体与截骨手术导板设计流程图；

图2为本发明的距骨滑车关节面置换体的第一示意图；

图3为本发明的距骨滑车关节面置换体的第二示意图；

图4为本发明的截骨手术导板示意图；

图5为本发明的距骨滑车关节面置换体，截骨手术导板与距骨的手术导航装配示意图。

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，为根据本发明所选实施例用于距骨修复体和截骨手术导板的设计流程图，具备包括下述步骤：

利用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，根据灰度特征，在二维编辑里面对图像进行编辑，获得距骨部分的影像二维数据，并生成三维数据，导出stl格式文件。

将stl格式文件导入至Rhinocros软件中，进行滑车关节面置换体逆向重建。利用交集功能，布置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。重建曲面，选择合适的UV点数量，在该实施例中UV均选择15个点，拟合阶数为3阶，对曲面进行重构，获得较佳的距骨滑车关节面的拟合曲面，如图2的曲面1所示。利用三刀法将距骨坏死部位切除，三个截骨平面如图3的第一截骨平面2、第二截骨平面3和第三截骨平面4所示。

利用Rhinocros软件的Grasshopper插件模块进行随机多孔结构参数表化建模。用surface电池拾取截骨第一截骨平面2、第二截骨平面3和第三截骨平面4，用populate 2D电池在上述截骨平面布置随机点，并利用Voronoi电池生成随机六边形，将获得的随机六边形的平面曲线集合，连接Weaverbird’sPicture Frame电池在六边形中间挖洞镂空，形成随机六边形多孔平面集合，利用Weaverbird’s Mesh Thicken电池将随机六边形多孔二维平面进行增厚，获得具有一定厚度的随机六边形多孔结构，在本实施例中，厚度设置为0.3mm，并利用bake功能将多孔结构实体输出到Rhinocros窗口中，完成表面随机多孔结构5的设计。

设计距骨滑车关节面置换假体的固定钉6，该固定钉用于截骨面上固定假体，所述固定钉将第二截骨平面3的法向方向，由直径为5mm,高度为8mm的圆柱与直径为5mm的半圆球组成，避免松动而造成失效。固定钉的法向方向为截骨平面。

利用截骨平面设计距骨截骨手术导板，将第一截骨平面2、第二截骨平面3和第三截骨平面4进行延伸至距骨边缘，如图4所示，设计第一截骨辅助导板7、第二截骨辅助导板8和第三骨辅助导板9，并进行偏置增厚，厚度为1.5mm。提取距骨的外踝关节面作为导板固定曲面，利用截面相交法获得曲面上的曲线特征，将多条曲线进行放样拟合获得固定曲面，将固定曲面进行偏置增厚，其厚度为2mm，获得固定板11。在固定板11上确定钉位，设计第一钉孔10和第二钉孔13，用于手术导板的固定。在固定板与截骨辅助导板之间进行连接，获得连接桥12。

如图5所示，将距骨滑车关节面置换体、截骨手术导板与距骨16进行手术装配，并利用两根固定钉14、15将截骨手术导板固定于距骨上，可沿着截骨手术导板的截骨板平面进行截骨手术操作，切除病变部位，然后将距骨滑车关节面置换体固定在截骨平面上，完成踝关节运动学关系重建手术。

在本发明制作方法中利用类似流程设计、制造的距骨假体，距骨截骨手术导板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)

1.一种个性化多孔结构的距骨修复体，其特征在于，包括距骨修复体本体，所述距骨修复体本体的上表面为一曲面，所述距骨修复体本体的下表面为切除距骨坏死部位形成的第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面，所述第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面沿距骨修复体的下表面依次排列；所述第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面上布满有随机六边形多孔结构；所述第二截骨平面上设有用于第二截骨平面上固定假体的固定钉。

2.根据权利要求1所述的个性化多孔结构的距骨修复体，其特征在于，所述随机六边形多孔结构位具有一定厚度的随机六边形多孔结构；所述随机六边形多孔结构的设计方法如下：

用populate 2D电池在第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面上布置随机点，并利用Voronoi电池生成随机六边形，将获得的随机六边形的平面曲线集合，连接Weaverbird’s Picture Frame电池在六边形中间挖洞镂空，形成随机六边形多孔平面集合，利用Weaverbird’s Mesh Thicken电池将随机六边形多孔二维平面进行增厚，获得具有一定厚度的随机六边形多孔结构，并利用bake功能将多孔结构实体输出到Rhinocros窗口中，完成表面随机多孔结构的设计。

3.根据权利要求1所述的个性化多孔结构的距骨修复体，其特征在于，所述固定钉为两颗，所述固定钉的法向方向为第二截骨平面的法向方向。

4.根据权利要求1所述的个性化多孔结构的距骨修复体，其特征在于，所述固定钉为直径为5mm、高度为8mm的圆柱与直径为5mm的半圆球组成。

5.一种用于个性化多孔结构的距骨修复体的距骨截骨手术导板，其特征在于，包括第一截骨辅助导板、第二截骨辅助导板和第三骨辅助导板，所述第一截骨辅助导板、第二截骨辅助导板和第三骨辅助导板的形状和设置方向分别与第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面形状和设置方向一致；所述第二截骨辅助导板通过连接桥连接有用于固定距骨的外踝关节面作为导板固定板，所述固定板上设有两个固定孔。

6.根据权利要求5所述用于个性化多孔结构的距骨修复体的距骨截骨手术导板，其特征在于，第一截骨辅助导板、第二截骨辅助导板和第三骨辅助导板为偏置增厚设计的结构，其厚度均为1.5mm。

7.一种个性化多孔结构的距骨修复体与截骨手术导板的设计方法其特征在于，包括下述步骤：

1)利用CT扫描仪采集距骨部位的医学影像数据，获得CT数据；

2)将CT数据导入Mimics软件，根据灰度特征，在二维编辑里面对图像进行编辑，将二维数据转换为三维数据，导出响应的距骨stl格式文件；

3)将距骨stl格式文件导入至Rhinocros软件中，进行逆向重建与正向设计；

4)利用三刀法，将距骨坏死的滑车关节面进行切除；

5)利用交集功能，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；对拟合曲面进行调整，以使拟合曲面更加贴合原有stl模型距骨滑车关节面；

6)利用Grasshopper插件对截骨平面进行随机多孔建模，利用Voronoi电池建立随机多孔表面；

7)将距骨滑车关节面，与截骨平面和随机多孔表面进行缝合，构建距骨滑车关节面置换假体，并在截骨平面下设计两个固定钉；

8)利用截骨平面设计距骨截骨手术导板，提取距骨的外踝关节面作为导板固定曲面，将固定曲面进行偏置增厚，与截骨辅助平面进行连接，获得截骨手术导板。

8.根据权利要求7所述一种个性化多孔结构的距骨修复体与截骨手术导板的设计方法，其特征在于，步骤3)中，进行逆向重建与正向设计的具体方法为：

将stl格式文件导入至Rhinocros软件中，进行滑车关节面置换体逆向重建，利用交集功能，布置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，重建曲面，选择合适的UV点数量，拟合阶数为3阶，对曲面进行重构，获得距骨滑车关节面的拟合曲面。

9.根据权利要求7所述一种个性化多孔结构的距骨修复体与截骨手术导板的设计方法，其特征在于，步骤6)中，所述随机多孔表面的具体设计方法如下：

利用Rhinocros软件的Grasshopper插件模块进行随机多孔结构参数表化建模，用surface电池拾取第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面，用populate 2D电池在上述截骨平面布置随机点，并利用Voronoi电池生成随机六边形，将获得的随机六边形的平面曲线集合，连接Weaverbird’s Picture Frame电池在六边形中间挖洞镂空，形成随机六边形多孔平面集合，利用Weaverbird’s Mesh Thicken电池将随机六边形多孔二维平面进行增厚，获得具有一定厚度的随机六边形多孔结构，并利用bake功能将多孔结构实体输出到Rhinocros窗口中，完成表面随机多孔结构的设计。

10.根据权利要求7所述一种个性化多孔结构的距骨修复体与截骨手术导板的设计方法，其特征在于，步骤8)中，获得截骨手术导板的具体方法为：

利用截骨平面设计距骨截骨手术导板，所述第一截骨平面、第二截骨平面和第三截骨平面延伸至距骨边缘，设计第一截骨辅助结构、第二截骨辅助结构和第三骨辅助结构，并进行偏置增厚；提取距骨的外踝关节面作为导板固定曲面，利用截面相交法获得曲面上的曲线特征，将多条曲线进行放样拟合获得固定曲面，将固定曲面进行偏置增厚，获得固定板；在固定板上确定钉位，设计两个钉孔，用于手术导板的固定；在固定板与截骨辅助导板之间进行连接，获得连接桥。