CN108056800B - 膝关节截骨工具及其制作系统与制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膝关节截骨工具及其制作系统与制作方法，所述制作方法包括：接收以实时三维扫描方式获取患者膝关节的三维解剖结构数据，所述三维解剖结构数据包括患者膝关节的数据和患者膝关节上的解剖特征标记的数据；根据三维解剖结构数据，处理得到三维膝关节数字模型，所述三维膝关节数字模型包括患者膝关节的数字模型和解剖特征标记的数字模型；根据三维膝关节数字模型，创建截骨定位件的三维工具数字模型；以及根据三维工具数字模型，创建截骨定位件的三维工具实体模型。本发明采用实时三维扫描患者膝关节实体手术区域，完成膝关节数字建模，提高了建模效率，同时提升了膝关节数字建模的准确性。

Description

膝关节截骨工具及其制作系统与制作方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种膝关节截骨工具及其制作系统与制作方法。

背景技术

膝关节是人体最大与最重要的关节之一，其病损将严重影响患者的活动功能，降低生活质量。随着我国人口平均寿命的延长，膝关节退变性骨关节炎的发病率在老龄人群中呈明显的增加趋势。对于严重退变的膝关节而言，如何最大限度地重建膝关节功能，是当前亟待解决的问题。全膝关节置换(Total knee Arthroplasty，TKA)正是可以实现这一膝关节重建功能的技术。

全膝关节置换术利用人工生物材料制成的关节假体置换关节中已被破坏的骨和软骨，较好地达到了膝关节重建的目的。关节假体放置之前，一般需通过截骨工具切除已被破坏的股骨和胫骨的表面(有时髌骨关节面相应进行切除)，以准确安放关节假体。关节假体安放的精度绝大程度上由截骨操作所影响。

目前临床上常用的截骨工具是根据患者骨骼大小，并通过与不同型号的试模逐一比对匹配而获得。如此一来，关节假体大小的选择往往取决于术者的经验而非客观数据。但是不同人群膝关节大小、形态存在较大差异，若依据基于欧美人体解剖学特点而设计研发的截骨工具施行截骨，精确度比较低。

为了解决上述问题，一些依据患者的影像数据而3D打印出的截骨工具(如截骨导板)进行截骨，使截骨操作具有了客观依据而非单纯依靠经验，理论上能增加关节假体安放的准确性。在该方法中，首先需通过影像学检查获取患者的膝关节数据，之后，在计算机软件辅助下将膝关节数据转化为三维数字模型，再通过3D打印技术制作截骨工具。然而，目前在获取三维数字模型的方式上和在截骨工具的制作手段上还存在如下缺陷：

第一、建模时间长、建模成本高。目前采用CT或MRI的方式获得膝关节断层扫描图像(DICOMM)数据集，并采用医学建模软件创建三维膝关节数字模型，这一过程不仅耗时、耗力，而且三维膝关节数字模型创建的准确性因数据处理人员不同而各不相同，稳定性差。

第二、解剖标识点的准确性低。在手术之前，通常在三维膝关节数字模型上标记解剖标识点，以作为术中的参考，但是三维膝关节数字模型毕竟与膝关节实体存在差异，故而解剖标识点的位置精度相对降低。

第三、3D打印时间长、耗费材料多。目前的截骨工具一般为实体结构，增加了材料的使用量和3D打印的时间。

基于上述截骨工具在制作上所存在的问题，有必要开发出一种新型的制作手段来制备新型的截骨工具。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种膝关节截骨工具及其制作系统与制作方法，以解决现有技术中三维膝关节数字模型建模时间长的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种膝关节截骨工具及其制作系统与制作方法，以解决现有技术中三维膝关节数字模型和解剖特征标识点的准确性低的问题。

本发明的又一个目的在于提供一种膝关节截骨工具及其制作系统及与制作方法，以解决现有技术中截骨工具制作时间长、耗费材料多的问题。

为实现上述目的和其它相关目的，本发明提供了一种膝关节截骨工具制作系统，包括依次连接的数据采集模块、数据处理模块和模型制造模块；

所述数据采集模块用于接收以实时三维扫描方式获得的患者膝关节的三维解剖结构数据并将所述三维解剖结构数据发送至所述数据处理模块；所述数据处理模块根据所述三维解剖结构数据处理得到三维膝关节数字模型，并根据所述三维膝关节数字模型创建一截骨定位件的三维工具数字模型；所述模型制造模块根据所述三维工具数字模型创建所述截骨定位件的三维工具实体模型；

其中，所述三维解剖结构数据包括所述患者膝关节的数据和所述患者膝关节上的解剖特征标记的数据，所述三维膝关节数字模型包括所述患者膝关节实体的数字模型和所述解剖特征标记的数字模型。

优选地，在所述的膝关节截骨工具制作系统中，所述三维工具数字模型包括第一三维工具数字模型和第二三维工具数字模型，所述第二三维工具数字模型为轻量化数字模型并通过对所述第一三维工具数字模型进行轻量化处理而得到。

优选地，在所述的膝关节截骨工具制作系统中，所述轻量化数字模型的横截面结构为镂空结构。

优选地，在所述的膝关节截骨工具制作系统中，所述轻量化数字模型包括实体结构和网状结构，所述实体结构用于与骨骼接触和/或为受力部分。

优选地，在所述的膝关节截骨工具制作系统中，所述数据处理模块包括依次连接的模型特征提取单元、截骨模拟单元、截骨工具创建单元和截骨工具轻量化处理单元；

所述模型特征提取单元根据所述三维解剖结构数据处理得到所述三维膝关节数字模型；所述截骨模拟单元根据手术参数以及所述三维膝关节数字模型上的所述解剖特征标记的数字模型获取一植入物的物理属性，并根据所述植入物的物理属性获取一截骨板的位置属性；所述截骨工具创建单元根据所述截骨板的位置属性以及所述三维膝关节数字模型创建所述第一三维工具数字模型；所述截骨工具轻量化处理单元对所述第一三维工具数字模型进行轻量化处理，得到所述第二三维工具数字模型。

优选地，在所述的膝关节截骨工具制作系统中，所述数据处理单元还包括截骨规划单元，分别与所述截骨模拟单元以及一输出单元连接；所述截骨规划单元基于所述截骨模拟单元处理得到的结果创建一截骨方案并通过所述输出单元输出。

优选地，在所述的膝关节截骨工具制作系统中，所述患者膝关节实体包括股骨和胫骨，所述解剖特征标记包括股骨解剖特征点、胫骨解剖特征点、股骨解剖特征轴和胫骨解剖特征轴；

多个所述股骨解剖特征点设于所述股骨上，多个所述胫骨解剖特征点设于所述胫骨上，所述股骨解剖特征轴通过穿设于所述股骨的一股骨定位针限定，所述胫骨解剖特征轴通过穿设于所述胫骨的一胫骨定位针限定。

优选地，在所述的膝关节截骨工具制作系统中，所述股骨解剖特征点的数量为六个且分开设置，所述胫骨解剖特征点的数量为二个且分开设置。

优选地，在所述的膝关节截骨工具制作系统中，所述模型制造模块依据3D打印技术创建所述三维工具实体模型。

为实现上述目的以及其它相关目的，本发明提供了一种膝关节截骨工具的制作方法，包括：

接收以实时三维扫描方式获取的患者膝关节的三维解剖结构数据，所述三维解剖结构数据包括所述患者膝关节的数据和所述患者膝关节上的解剖特征标记的数据；

根据所述三维解剖结构数据，处理得到三维膝关节数字模型，所述三维膝关节数字模型包括所述患者膝关节的数字模型和所述解剖特征标记的数字模型；

根据所述三维膝关节数字模型，创建一截骨定位件的三维工具数字模型；以及

根据所述三维工具数字模型，创建所述截骨定位件的三维工具实体模型。

优选地，在所述的膝关节截骨工具的制作方法中，所述三维工具数字模型包括第一三维工具数字模型和第二三维工具数字模型，创建所述三维工具实体模型的步骤包括：

根据所述三维膝关节数字模型，创建所述截骨定位件的第一三维工具数字模型；

对所述第一三维工具数字模型进行轻量化处理，得到为轻量化数字模型的所述第二三维工具数字模型；以及

根据所述第二三维工具数字模型，创建所述三维工具实体模型。

优选地，在所述的膝关节截骨工具的制作方法中，所述轻量化数字模型的横截面结构为镂空结构。

优选地，在所述的膝关节截骨工具的制作方法中，所述轻量化数字模型包括实体结构和网状结构，所述实体结构用于与骨骼接触和/或为受力部分。

优选地，在所述的膝关节截骨工具的制作方法中，所述三维工具数字模型的创建步骤包括：

根据预设的手术参数以及所述三维膝关节数字模型上的所述解剖特征标记的数字模型，得到一植入物的物理属性；

根据所述植入物的物理属性，得到一截骨板的位置属性；以及

根据所述截骨板的位置属性以及所述三维膝关节数字模型，创建所述第一三维工具数字模型。

优选地，在所述的膝关节截骨工具的制作方法中，所述制作方法还包括：

根据所述三维膝关节数字模型，创建一截骨方案并输出。

优选地，在所述的膝关节截骨工具的制作方法中，通过3D打印技术创建所述三维工具实体模型。

为实现上述目的以及其它相关目的，本发明另提供了一种膝关节截骨工具，包括一截骨定位件，所述截骨定位件由上述任意一项所述的制作方法制备而成。

与现有技术相比，本发明所提供的膝关节截骨工具及其制作系统与制作方法具备如下优点：

第一、本发明的技术方案中，采用实时三维扫描患者膝关节实体手术区域，完成膝关节数字建模，与采用CT或MRI方式扫描建立膝关节数字建模相比，建模时间由原来的几小时缩短到几分钟，较大提高了建模效率。

第二、本发明的技术方案中，通过对目标手术组织直接三维扫描，完成膝关节数字建模，与根据CT或MRI方式获得的影像数据处理得到的膝关节数字建模相比，避免了以往断层扫描图像中噪声问题，断层扫描图像中软骨显示误差问题，以及人工建模差异性问题，有效提升了膝关节数字建模的准确性，从而增加了截骨工具与患者膝关节手术区域的匹配度。

第三、本发明的技术方案中，采用的三维扫描数据不仅包括患者膝关节的数据，而且还包括所述患者膝关节上的解剖特征标记的数据，通过在患者膝关节实体上建立解剖特征标记，解决了解剖特征标识准确性低的问题。现有技术中，通常是在不准确的三维膝关节数字模型上建立解剖特征标记，与本发明在患者膝关节实体上设定解剖特征标记相比，解剖特征标识点的准确性不高。

第四、本发明的技术方案中，通过对截骨定位件的三维工具数字模型进行轻量化处理，解决了截骨定位件制作时间长、耗费材料多的问题。例如，本发明的技术方案中，将原来横截面结构为实体结构处理成横截面结构为镂空结构，或者将截骨定位件的非受力部分设置为网状结构，而受力或与骨骼接触部分采用实体结构，在满足支撑强度的前提下，有效地减少了截骨定位件的加工时间和加工成本，从而整体上缩短了手术时间。

附图说明

图1为本发明实施例的膝关节截骨工具的制作方法的流程图；

图2a为本发明实施例的三维膝关节数字模型的局部示意图；

图2b为本发明实施例的股骨远端的前视图；

图2c为本发明实施例的股骨远端的内侧视图；

图2d为本发明实施例的股骨远端的外侧视图；

图2e为本发明实施例的胫骨近端的前视图；

图2f为本发明实施例的胫骨近端的后视图；

图3为本发明较佳实施例的膝关节截骨工具的制作方法的流程图；

图4为本发明实施例截骨定位件的横截面结构为镂空结构的示意图；

图5为本发明较佳实施例的创建截骨定位件的三维工具数字模型的流程图；

图6为本发明实施例的膝关节截骨工具制作系统的结构框图；

图7为本发明较佳实施例的数据处理模块的结构框图；

图8a为本发明实施例的添加了植入物的数字模型的三维膝关节数字模型的局部视图；

图8b为本发明实施例的已被截取一部分结构的三维膝关节数字模型的局部视图；

图9a为本发明实施例的股骨远端截取的股骨截骨板的数字模型安装于股骨实体的数字模型远端的示意图；

图9b为本发明实施例的股骨远端截取的髌骨截骨板的数字模型安装于股骨实体的数字模型远端的示意图；

图10为本发明实施例的胫骨近端截取的胫骨截骨板的数字模型安装于胫骨实体的数字模型近端的示意图；

图11为本发明实施例的股骨截骨定位件和股骨截骨板定位于股骨实体的数字模型上的示意图；

图12为本发明实施例的胫骨截骨定位件和胫骨截骨板定位于胫骨实体的数字模型上的示意图；

图13a为本发明实施例的第二三维股骨截骨定位件数字模型的外侧视图；

图13b为本发明实施例的第二三维股骨截骨定位件数字模型的内侧视图；

图14a为本发明实施例的第二三维胫骨截骨定位件数字模型的外侧视图；

图14b为本发明实施例的第二三维胫骨截骨定位件数字模型的内侧视图；

图15为本发明较佳实施例的模型制造模块的结构框图。

附图标记说明如下：

100-制作方法；

S1、S2、S3、S4、S4’、S31、S32、S311、S312、S313-步骤；

1-患者膝关节实体的数字模型；

11-股骨实体的数字模型；

12-胫骨实体的数字模型；

13-股骨解剖特征点的数字模型；

14-股骨解剖轴的数字模型；

15-胫骨解剖特征点的数字模型；

16-胫骨解剖轴的数字模型；

17-镂空结构；

200-制作系统；

210-数据采集模块；

220-数据处理模块；

221-模型特征提取单元；222-截骨模拟单元；223-截骨工具创建单元；

224-截骨工具轻量化处理单元；225-截骨规划单元；226-输出单元；

230-模型制造模块；

231-模型制造单元；232-截骨工具后处理单元；

2-植入物的数字模型；

31-股骨截骨板的数字模型；32-髋骨截骨板的数字模型；33-胫骨截骨板的数字模型；

41-第一三维股骨截骨定位件数字模型；42-第一三维胫骨截骨定位件数字模型；

51-第二三维股骨截骨定位件数字模型；52-第二三维胫骨截骨定位件数字模型；

511-实体结构；512-网状结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图1～15和各种具体实施例对本发明提出的膝关节截骨工具及其制作系统与制作方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。

本发明提供了订制的膝关节截骨定位件(以下简称截骨定位件)，该截骨定位件是以由三维扫描设备(如光学三维扫描仪等)确定的患者膝关节实体的解剖结构为基础的。例如，三维扫描设备扫描的图像或一系列的图像取自患者的膝。在全膝置换的情况下，将三维扫描设备扫描的图像数据从例如点云数据转换成通常包括骨盆、股骨、膝盖骨、胫骨或足部的下肢的实体数字模型。源自三维扫描设备扫描的图像数据的计算机生成的实体模型通常包括有关围绕已经成像的结构的表面轮廓(例如，已经成像的膝关节的骨骼的表面形貌)的精准信息。将理解，表面形貌是指诸如凹部和突起或类似物的表面特征的位置、形状、大小和分布。

本发明的患者膝关节实体主要包括股骨和胫骨，对应地，所述截骨定位件包括用于定位股骨截骨板的股骨截骨定位件以及用于定位胫骨截骨板的胫骨截骨定位件。应理解，所述股骨截骨定位件被形成为用于放置在患者的股骨裸露的髁上，以确保精准地定位在手术期间用于引导和控制股骨骨骼切除的股骨截骨板(股骨截骨板由金属材料制成，如不锈钢，且其上形成有股骨截骨槽)。类似地，所述胫骨截骨定位件被形成为用于放置在患者的胫骨裸露的上关节表面上，以确保精准地定位在手术期间用于引导和控制胫骨上关节表面的骨骼切除的胫骨截骨板(胫骨截骨板由金属材料制成，如不锈钢，且其上形成有胫骨截骨槽)。

无论是股骨截骨定位件还是胫骨截骨定位件，两者均可以各自通过下述实施例所描述的方式制备而成。为了简明起见，股骨截骨定位件和胫骨截骨定位件统称为截骨定位件，以便于描述和说明。

参阅图1，其是本发明较佳实施例的膝关节截骨工具的制作方法100的流程图。如图1所示，所述制作方法100包括如下步骤：

步骤S1：接收以实时三维扫描方式获取的患者膝关节的三维解剖结构数据，所述三维解剖结构数据包括患者膝关节的数据和患者膝关节上的解剖特征标记的数据。三维扫描之前，具体由手术医生实施一些准备工作，包括在患者膝关节实体上设定解剖特征标记、患者于手术台上的体位等，在此不再赘述，之后，通过步骤S1获取三维解剖结构数据。

步骤S2：根据所述三维解剖结构数据，处理得到三维膝关节数字模型。

步骤S3：根据所述三维膝关节数字模型，创建截骨定位件的三维工具数字模型。

步骤S4：根据所述三维工具数字模型，创建所述截骨定位件的三维工具实体模型。

如图2a所示，所述三维膝关节数字模型包括患者膝关节的数字模型1和解剖特征标记的数字模型。其中，所述患者膝关节的数字模型1包括股骨的数字模型11和胫骨的数字模型12。

如图2b至图2d所示，所述解剖特征标记的数字模型包括设置于股骨的数字模型11上的多个股骨解剖特征点的数字模型13以及一个股骨解剖轴的数字模型14。图2b为本发明实施例的股骨远端的前视图，图2c为本发明实施例的股骨远端的内侧视图，图2d为本发明实施例的股骨远端的外侧视图。

如图2e和图2f所示，所述解剖特征标记的数字模型还包括设置于胫骨实体的数字模型12上的多个胫骨解剖特征点的数字模型15以及一个胫骨解剖轴的数字模型16。其中，图2e为本发明实施例的胫骨近端的前视图，图2f为本发明实施例的胫骨近端的后视图。

本实施例中，在进行三维扫描之前，主要由手术医生于患者的股骨实体上标定多个股骨解剖特征点，并将一根股骨定位针穿设于股骨实体内，以便于在创建三维膝关节数字模型时，将股骨定位针的轴线限定为股骨解剖轴，即取股骨定位针的轴线为股骨解剖轴线而建立股骨解剖轴的数字模型14。同时，手术医生还于患者的胫骨实体上标定多个胫骨解剖特征点，并将一根胫骨定位针穿设于胫骨实体内，以便于在创建三维膝关节数字模型时，将胫骨定位针的轴线限定为胫骨解剖轴，即取胫骨定位针的轴线为胫骨解剖轴线而建立胫骨解剖轴的数字模型16。

较佳地，所述股骨解剖特征点的数量为六个且于股骨实体表面上分开设置，所述胫骨解剖特征点的数量为二个且于胫骨实体表面分开设置。需理解，本实施例设定的解剖特征点以及解剖轴，一方面作为建立三维工具实体模型的参考基准，另一方面作为确定手术参数的依据。关于解剖特征点的数量和位置，本领域技术人员容易根据实际需要作相应设置，本发明不作特别的限定。

本实施例中，股骨解剖轴由沿着股骨轴线插入髁间凹口向上穿过股骨的股骨定位针限定。

优选地，所述三维工具实体模型通过3D打印技术制造而成，并由适合于3D打印设备相关使用的类型的材料形成，如尼龙粉末材料。

本发明的一个优选实施方式中，所述三维工具数字模型包括第一三维工具数字模型和第二三维工具数字模型，如图3所示，步骤S3包括如下步骤：

步骤S31：根据所述三维膝关节数字模型，创建所述截骨定位件的第一三维工具数字模型。

步骤S32：对所述第一三维工具数字模型进行轻量化处理，得到为轻量化数字模型的所述第二三维工具数字模型。

之后，在步骤S3之后，将执行步骤S4’，步骤S4’为根据所述第二三维工具数字模型，创建所述三维工具实体模型。

在本发明的一个实施例中，如图4所示，所述轻量化数字模型(即第二三维工具数字模型)的横截面结构为镂空结构17。在其他实施例中，所述轻量化数字模型包括实体结构和网状结构，特别地，本实施例的截骨定位件的非受力部分采用网状结构设计，而受力或与骨骼接触部分采用实体结构设计。

上述轻量化结构中，无论是横截面结构为镂空结构，还是实体结构和网状结构组合，只要在不影响截骨定位件之支撑强度的情况下，能够降低截骨定位件材料的使用量即可，如此一来，制作截骨定位件所需要的时间和材料相应减少，不但降低了截骨定位件的制作时间和制作成本，而且整体上缩短了手术时间。现有技术中，截骨定位件整体上为实体结构，因而，材料加工时间长，耗费材料多，制作成本高。

进一步，如图5所示，步骤S31包括：

步骤S311：根据预设的手术参数以及所述三维膝关节数字模型上的所述解剖特征标记的数字模型，得到植入物的物理属性。该步骤中，具体需确定植入物的大小、规格，并依据患者膝关节病变情况计算得到所述手术参数，例如，针对患者膝关节的畸变程度，如外翻或内翻时，确定截骨量、截骨角度、植入物旋转角度等手术参数。

步骤S312：根据所述植入物的物理属性，得到截骨板的安装属性。该步骤中，可以确定截骨板于患者膝关节实体上的安装位置。

步骤S313：根据所述截骨板的安装属性以及三维膝关节数字模型，创建所述第一三维工具数字模型。

更进一步，本实施例的制作方法100还包括：根据三维膝关节数字模型，创建一截骨方案，以便手术医生根据该截骨方案进行术前评估。具体地，基于三维膝关节数字模型，并结合得到的植入物的尺寸规格以及截骨板的安装位置等确定所述截骨方案。所述截骨方案最终以手术报告形式输出，其记录有截骨量、截骨角度、植入物规格、手术辅助工具等一系列参考数据，特别还包括一些理论说明，如选取该截骨角度的原因说明等，以为手术医生提供参考。

上述实施例主要描述了本发明的膝关节截骨工具的制作方法100，接下去将结合上述制作方法100，对膝关节截骨工具的制作系统200作进一步详细说明。

参阅图6，其是本发明较佳实施例的膝关节截骨工具制作系统200的结构框图。如图6所示，所述制作系统200包括依次连接的数据采集模块210、数据处理模块220和模型制造模块230。

在不影响数据通信的情况下，上述三个模块在实际应用过程中，可限定于不同的物理位置，例如，所述数据采集模块210限定于手术台附近之无菌区，所述数据处理模块220的物理位置不限，便于接受数据采集模块210采集的数据即可，所述模型制造模块230限定于手术台附近区域，以便在完成截骨定位件的制造后立即交付使用。

所述数据采集模块210用于接收以实时三维扫描方式获得的患者膝关节实体的三维解剖结构数据。所述数据处理模块220根据所述三维膝关节扫描数处理得到三维膝关节数字模型，并根据三维膝关节数字模型创建截骨定位件的三维工具数字模型。所述模型制造模块230根据三维工具数字模型创建截骨定位件的三维工具实体模型，优选，所述模型制造模块230基于3D打印技术创建所述三维工具实体模型。

如图7所示，其是本发明较佳实施例的数据处理模块的组成结构框图。所述数据处理模块220包括依次连接的模型特征提取单元221、截骨模拟单元222、截骨工具创建单元223以及截骨工具轻量化处理单元224。

所述模型特征提取单元221根据三维解剖结构数据处理得到三维膝关节数字模型。所述截骨模拟单元222根据手术参数并结合三维膝关节数字模型上的解剖特征标记的数字模型确定植入物的规格，并根据植入物的规格于三维膝关节数字模型上模拟截骨操作，以确定截骨板的安装位置。具体来说，将植入物的数字模型2添加到三维膝关节数字模型上并安装到位，从而限定截骨板的摆放位置，确定截骨板上的截骨槽的位置属性。进而，所述截骨工具创建单元223根据截骨板的安装位置以及三维膝关节数字模型，创建所述第一三维工具数字模型。

经过图8a至图8b所示的模拟截骨操作后，便可以得到图9和图10所示的截骨板的安装位置。图8a所示出的数字模型中，所述植入物的数字模型2已然添加于三维膝关节数字模型上，图8b所示出的数字模型中，股骨的远端和胫骨的近端已然被截取一部分。其中，图9a为股骨远端截取的股骨截骨板的数字模型31安装于股骨的数字模型11远端的示意图，图9b为股骨远端截取的髌骨截骨板的数字模型32安装于股骨的数字模型11远端的示意图，图10为胫骨近端截取的胫骨截骨板的数字模型33安装于胫骨的数字模型12近端的示意图。

如图9a和图9b所示，所述股骨截骨板的数字模型31定位于患者的股骨的暴露的髁上，以截取股骨远端；所述髌骨截骨板的数字模型32定位于股骨侧边的髌骨关节面上，以截取髌骨关节面。如图10所示，所述胫骨截骨板的数字模型33定位于患者的胫骨的暴露的上关节表面上，以截取胫骨近端。

如图11和图12所示，确定截骨板的安装位置后，所述截骨工具创建单元223便可以根据三维膝关节数字模型以及截骨板的安装位置，创建与膝关节骨头表面匹配的截骨定位件的第一三维工具数字模型。

如图11所示，所述截骨工具创建单元223根据股骨的数字模型11以及股骨截骨板31的安装位置，创建与股骨表面匹配的第一三维股骨截骨定位件数字模型41。

如图12所示，所述截骨工具创建单元223根据胫骨的数字模型12以及胫骨截骨板33的安装位置，创建与胫骨表面匹配的第一三维胫骨截骨定位件数字模型42。

进一步，所述截骨工具轻量化处理单元224对第一三维股骨截骨定位件数字模型41进行轻量化处理，得到为轻量化数字模型的第二三维股骨截骨定位件数字模型51。所述截骨定位件轻量化处理单元224对第一三维胫骨截骨定位件数字模型42进行轻量化处理，得到为轻量化数字模型的第二三维胫骨截骨定位件数字模型52。

如图4所示，轻量化处理后的截骨定位件的横截面结构可以是镂空结构17。具体地说，所述截骨工具轻量化处理单元224采用适合的单元结构对第一三维工具数字模型内部实施填充，得到图4所示的镂空结构17。

若采用实体结构和网状结构相组合的截骨定位件，如图13a和图13b所示，所述第二三维股骨截骨定位件数字模型51包括实体结构511和网状结构512，其中，与股骨接触的面以及受力部分均设置为实体结构511，除此之外设置为网状结构512，以减轻股骨截骨定位件的重量，减少材料的使用和加工时间。

如图14a和图14b所示，所述第二三维胫骨截骨定位件数字模型52相应包括实体结构511和网状结构512，与胫骨接触的面以及受力部分均设置为实体结构511，除此之外设置为网状结构512，以减轻胫骨截骨定位件的重量，减少材料的使用和加工时间。

继续参阅图7，所述数据处理单元220还包括截骨规划单元225，分别与截骨模拟单元222以及输出单元226连接。所述截骨规划单元225基于截骨模拟单元222处理得到的模拟结果创建一截骨方案并通过输出单元226输出。

所述截骨规划单元225可通过人机互动界面实现，所述输出单元226例如是网络端口、USB端口，以与外界实现通讯。

如图15所示，所述模型制造模块230以3D打印设备作为示意，包括模型制造单元231以及截骨工具后处理单元232。所述模型制造单元231接收来自数据处理模块220的数据，其可对截骨定位件的三维工具数字模型进行调整(考虑到3D打印的效果，将模型调整到合适的打印姿态)、数据切片以及3D打印处理，完成截骨定位件的3D打印。之后，打印后的三维工具实体模型经截骨工具后处理单元232清洁后输出，以供临床使用。

本实施例图示的截骨定位件与截骨板相匹配，以用于截骨操作。

进而，本实施例还提供了一种采用上述制作方法100制备而成的膝关节截骨工具，本实施例的膝关节截骨工具包括股骨截骨定位件和胫骨截骨定位件。

与现有技术相比，本发明所提供的膝关节截骨工具及其制作系统与制作方法具备如下优点：

第一、本发明的技术方案中，采用实时三维扫描患者膝关节实体手术区域，完成膝关节数字建模，与采用CT或MRI方式扫描建立膝关节数字建模相比，建模时间由原来的几小时缩短到几分钟，较大提高了建模效率。

第二、本发明的技术方案中，通过对目标手术组织直接三维扫描，完成膝关节数字建模，与根据CT或MRI方式获得的影像数据处理得到的膝关节数字建模相比，避免了以往断层扫描图像中噪声问题，断层扫描图像中软骨显示误差问题，以及人工建模差异性问题，有效提升了膝关节数字建模的准确性，从而增加了截骨定位件与患者膝关节手术区域的匹配度。

第三、本发明的技术方案中，采用的三维扫描数据不仅包括患者膝关节的数据，而且还包括患者膝关节上的解剖特征标记的数据，通过在患者膝关节实体上建立解剖特征标记，解决了解剖特征标识准确性低的问题。现有技术中，通常是在不准确的三维膝关节数字模型上建立解剖特征标记，与本发明在患者膝关节实体上设定解剖特征标记相比，解剖特征标识点的准确性不高。

第四、本发明的技术方案中，通过对截骨定位件的三维工具数字模型进行轻量化处理，解决了截骨定位件制作时间长、耗费材料多的问题。例如，本发明的技术方案中，将原来横截面结构为实体结构处理成横截面结构为镂空结构，或者将截骨定位件的非受力部分设置为网状结构，而受力或与骨骼接触部分采用实体结构，在满足支撑强度的前提下，有效地减少了截骨定位件的加工时间和加工成本，从而整体上缩短了手术时间。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种膝关节截骨工具制作系统，其特征在于，包括依次连接的数据采集模块、数据处理模块和模型制造模块；

所述数据采集模块用于接收以实时三维扫描方式获得的患者膝关节的三维解剖结构数据并将所述三维解剖结构数据发送至所述数据处理模块；所述数据处理模块根据所述三维解剖结构数据处理得到三维膝关节数字模型，并根据所述三维膝关节数字模型创建一截骨定位件的三维工具数字模型；所述模型制造模块根据所述三维工具数字模型创建所述截骨定位件的三维工具实体模型；

其中，所述三维解剖结构数据包括所述患者膝关节的数据和所述患者膝关节上的解剖特征标记的数据，所述三维膝关节数字模型包括所述患者膝关节的数字模型和所述解剖特征标记的数字模型；所述三维工具数字模型包括第一三维工具数字模型和第二三维工具数字模型，所述第二三维工具数字模型为轻量化数字模型并通过对所述第一三维工具数字模型进行轻量化处理而得到。

2.如权利要求1所述的膝关节截骨工具制作系统，其特征在于，所述轻量化数字模型的横截面结构为镂空结构。

3.如权利要求2所述的膝关节截骨工具制作系统，其特征在于，所述轻量化数字模型包括实体结构和网状结构，所述实体结构用于与骨骼接触和/或为受力部分。

4.如权利要求1所述的膝关节截骨工具制作系统，其特征在于，所述数据处理模块包括依次连接的模型特征提取单元、截骨模拟单元、截骨工具创建单元和截骨工具轻量化处理单元；

所述模型特征提取单元根据所述三维解剖结构数据处理得到所述三维膝关节数字模型；所述截骨模拟单元根据手术参数以及所述三维膝关节数字模型上的所述解剖特征标记的数字模型获取一植入物的物理属性，并根据所述植入物的物理属性获取一截骨板的安装属性；所述截骨工具创建单元根据所述截骨板的安装属性以及所述三维膝关节数字模型创建所述第一三维工具数字模型；所述截骨工具轻量化处理单元对所述第一三维工具数字模型进行轻量化处理，得到所述第二三维工具数字模型。

5.如权利要求4所述的膝关节截骨工具制作系统，其特征在于，所述数据处理单元还包括截骨规划单元，分别与所述截骨模拟单元以及一输出单元连接；所述截骨规划单元基于所述截骨模拟单元处理得到的结果创建一截骨方案并通过所述输出单元输出。

6.如权利要求1所述的膝关节截骨工具制作系统，其特征在于，所述患者膝关节包括股骨和胫骨，所述解剖特征标记包括股骨解剖特征点、胫骨解剖特征点、股骨解剖轴和胫骨解剖轴；

多个所述股骨解剖特征点设于所述股骨上，多个所述胫骨解剖特征点设于所述胫骨上，所述股骨解剖特征轴通过穿设于所述股骨的一股骨定位针限定，所述胫骨解剖特征轴通过穿设于所述胫骨的一胫骨定位针限定。

7.如权利要求6所述的膝关节截骨工具制作系统，其特征在于，所述股骨解剖特征点的数量为六个且分开设置，所述胫骨解剖特征点的数量为二个且分开设置。

8.如权利要求1所述的膝关节截骨工具制作系统，其特征在于，所述模型制造模块依据3D打印技术创建所述三维工具实体模型。

9.一种膝关节截骨工具，包括一截骨定位件，其特征在于，所述截骨定位件由权利要求1至8中任意一项所述的膝关节截骨工具制作系统制备而成。

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