CN108056844A - 一种具有可伸缩结构的多段式3d打印人工肋骨 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械领域，具体是一种可伸缩的多段式3D打印人工肋骨，包括：双榫槽结构、单榫槽单榫头结构、带球状关节单榫槽结构与带球状关节单榫头结构的四种结构的人工肋骨，通过使用滑动榫槽连接，实现人工肋骨与人体肋骨之间，或人工肋骨与其他人工肋骨之间的多段式组合，构成贴合人体肋骨弧度的可伸缩多段式人工肋骨。本发明主要用于替换病变的肋骨。可以随胸廓的扩张或收缩，被动的伸长或缩短，不再约束胸廓的运动，达到满足肋骨解剖学功能修复的同时，把对其生理功能的影响降到最低，提高病人的体能和生活质量。

Description

一种具有可伸缩结构的多段式3D打印人工肋骨

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体说是一种具有可伸缩结构的多段式3D打印人工肋骨。

背景技术

近年来，随着3D 打印技术的成熟和推广，该技术已经从工业领域逐步进入了医学领域，其推广已为很多疑难疾病的成功诊断和治疗提供了新的方法和手段。

以骨科为例，根据人体解剖学知识，胸廓是由脊柱、肋骨、胸骨、和肋间肌构成的骨性笼状支架。内容有心、肺、气管、支气管、纵隔等重要内脏器官。胸廓的后方为脊柱，肋骨、肋间隙位于两侧，胸骨位于前方。胸廓具有一定的弹性和活动性，起着支持和保护胸腹腔脏器避免外力损伤的作用。但其主要作用，还在于它参与呼吸运动。

参与呼吸的肌肉主要有肋间肌和膈肌。肋间肌和膈肌的运动，能够使胸廓扩大或缩小。吸气时，肋间肌和膈肌收缩时，肋体上提，肋骨两侧外翻，胸廓体积增大，肺随之扩张，完成吸气。相反，当肋间肌和膈肌舒张时，肋骨做相反方向的运动，胸廓体积缩小，肺随之回缩，完成呼气。

然而，肋骨本身的病变，肺部恶性肿瘤侵犯肋骨，佝偻病的鸡胸和漏斗胸都会伴有明显的肋骨畸形，这些疾病通常需要通过切除病变部位的肋骨进行治疗。而切除肋骨之后，以目前的技术很难对其进行有效的修复，以至于严重影响病人的健康，甚至只能放弃治疗。

国内外一些有条件的医院，现已利用3D 打印技术，使用钛合金或特种工程塑料，如聚芳醚酮类材料等，成功打印制作了人工肋骨，并施行了病变部位的置换手术。

但是，由于这些材料的硬度高于人体骨骼，弹性较差，形变能力不足，不同程度的限制了胸廓的扩张和缩小运动。并且，由于替换后人工肋骨难以附着肋间肌肉群，使其上下的肋间肌肉群失去作用，进一步减小了胸廓运动的幅度，影响了呼吸功能，导致病人肺活量下降。

所以，尽管这些手术从结构上完成了肋骨的修复，但是随着置换的人工肋骨数量的增多和肋骨长度的加长，却不同程度的影响了病人的呼吸功能。临床研究发现，人工肋骨置换后的病人，肺活量均有不同程度的下降，最高可达约600毫升。这个数值相当于正常成人肺活量的20%。对于病人而言，则极有可能达到其正常肺活量的50%甚至更高。由于手术前病人的肺活量本身就不高，术后肺活量的下降，将大大限制病人从事强度较大的运动或体力劳动的能力，导致病人的生活质量明显下降。

中国发明专利CN200910108492公开了一种可伸缩调节的人造胸肋骨，用于解决呼吸受限的问题。该发明存在以下几方面的缺陷：

上述发明专利中涉及的人造胸肋骨，与人体肋骨的解剖学形状及结构相差甚远，不能贴合人体肋骨形态，做到真正的结构修复。

上述发明专利只能是采用传统的机械加工制造方法，仅能制造特定长度的肋骨，并在特定位置开设固定孔，无法针对病人的实际情况做到优化和个性化定制，手术操作难度较高。

上述发明专利中涉及的人造胸肋骨，只具有一个分段，无法解决整根肋骨不同位置解剖形状变化的需求。

上述发明专利设计的人造胸肋骨，其上下缘呈齿形结构，根据人体解剖学知识可知，正常肋骨下缘分布有肋间神经和血管，这种齿形的人造肋骨随病人呼吸运动时，有可能牵拉切割其下缘的神经血管，导致病人明显胸痛。

上述发明专利采用了滑动阀的方法来带动肋骨部的移动。由于该发明中涉及到的滑动阀的接口沟槽及活动部分直接裸露在外部，且固定螺钉高于人造肋骨的滑动平面。这将导致以下不良后果，一方面，裸露的滑动沟槽会因为细胞组织的攀附和生长，甚至嵌入沟槽之中，致其无法正常滑动。另一方面，凸起的螺钉顶部会随呼吸时肋骨的滑动，而与胸壁的胸膜面发生摩擦，不停的摩擦有可能导致胸膜炎症，由于胸膜的神经非常敏感，有可能引起病人呼吸时明显胸痛。

上述发明专利在其具体实施方式中，没有描述采用何种材料制作的人造肋骨。在其说明书中的某些名词术语，并非准确的人体解剖科学术语。比如：“胸肋骨”，这是个模糊概念。胸骨和肋骨是完全不同的解剖学概念，其说明书和权利要求书中并未涉及有关胸骨的描述。

综上所述，基于这些缺陷的，上述发明中的人造肋骨是不大可能在临床实施的。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，在大量临床实践的基础上，进而采用先进的3D 打印技术，提供了一种新型结构的3D 打印的人工肋骨，克服现有技术中存在的缺陷，在完成病人解剖学结构的部分或整体修复的同时，尽量把对病人生理功能的影响降至最低，减轻病人痛苦，提高术后病人的生活质量。

为了解决上述技术问题，本发明是通过下列技术方案实现的，其包括：由四种不同结构的3D 打印人工肋骨模型（以下简称人工肋骨）组成，人工肋骨的两端分别具有榫槽或榫头结构，不同结构的人工肋骨模型段两两通过插入式滑动榫槽相互连接。

所述的人工肋骨具有双榫槽结构、单榫槽单榫头结构、带球状关节单榫槽结构与带球状关节单榫头结构这四种结构，组合构成贴合人体肋骨弧度的人工肋骨。

所述的双榫槽结构人工肋骨的两端均为滑动榫槽结构。

所述的单榫槽单榫头结构的人工肋骨，一端为滑动榫槽，另一端为榫头。

所述的带球状关节单榫槽结构的人工肋骨，一端为滑动榫槽，另一端为球状关节。

所述的带球状关节单榫槽结构的人工肋骨，一端为榫头结构，另一端为球状关节。

所述的榫槽和榫头为腰形或圆形结构，腰形槽或圆形槽的尺寸略大于人体肋骨或榫头1~2mm，便于人体肋骨或人工肋骨的插入和随胸廓收缩扩张时有微小的活动空间。

所述的插入榫头正面开设腰形槽孔，当人体肋骨或人工肋骨插入榫槽后，二者形成插入式活动连接。

所述的活动连接以销钉固定，防止插入端过度拉伸而脱出。由于插入端的滑动榫头包裹在腰形槽或圆形槽中，其运动不会勾连组织或受攀附生长的影响。

所述的销钉的顶面不高于榫槽正面的销钉孔，且固定不滑动，避免了其与人体胸膜产生摩擦，导致胸膜炎症，引起病人呼吸时胸痛。

所述的四种不同结构的人工肋骨可以不同的组合相互连接，也可以与人体肋骨连接，进而组成多段式人工肋骨。

所述的人工肋骨的弧度和长度由计算机断层扫描成像图像数据（CT）或核磁共振成像数据（MRI）等医学影像学数据中提取拟合得到。使其更符合于人体解剖形状及结构，使人工肋骨置换术后的胸廓有一个接近正常的外观，使病人有更好的体感。

所述的人工肋骨的球状关节可以与3D打印的人工胸骨关节相连接。

本发明的分段式组合结构的重大意义在于，允许临床医生事先收集一定数量的不同性别、不同年龄及不同体型的正常人的肋骨特征数据，在统计分析基础上，进行分类处理，事先生产出一批不同形状、不同大小、不同规格及不同类型的标准化人工肋骨模块，按不同型号分类保存备用。使用时根据每个病人的具体情况，及时选择不同型号的模块，组合成适合于自体特征的人工肋骨，这样就可以为各类病人，特别是急诊病人，方便快速地完成人工肋骨置换手术，不必等待较长的制造过程，使病人得到及时治疗，减轻病人痛苦，便于在各级各类医疗机构大规模推广应用，尤其是那些不具备开展3D打印技术的基层医院。同时也为人工肋骨的标准化、规模化生产奠定了基础。

与现有技术相比，由于本发明将没有弹性的，固定的人工肋骨，通过重新设计，形成一根具有多个分段的，可滑动伸缩结构的人工肋骨。这种肋骨置换入病人体内后，可以随着病人胸廓的扩张或收缩，被动的伸长或缩短，不再约束胸廓和肺叶的运动，达到在满足肋骨的解剖学功能修复的同时，把对其生理功能的影响降到最低，提高术后病人的体能和生活质量的目的。灵活组合的多段式人工肋骨的形状更接近于正常人体肋骨，且活动性更好，对病人呼吸功能的影响更小。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明提出的双榫槽人工肋骨示意图。

图2是本发明提出的单榫槽单榫头人工肋骨示意图。

图3是本发明提出的带球状关节单榫槽人工肋骨示意图。

图4是本发明提出的带球状关节单榫头人工肋骨示意图。

图5为本发明实施例1的一种人体肋骨与多段式人工肋骨构成的人工肋骨修复连接示意图。

图6是本发明实施例2的单榫槽单榫头人工肋骨与双榫槽人工肋骨构成的多段式人工肋骨连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式予以详细说明。

图1为本发明提出的双榫槽滑动结构的人工肋骨。所述的人工肋骨10，两端为腰形滑动榫槽11，其正面开有销钉固定孔12，用于使用销钉连接人体肋骨或其他人工肋骨。所述的人工肋骨10，为弧形结构，其弧度和长度由CT或核磁共振（MRI）等医学影像数据拟合得到。

图2为本发明提出的单榫槽单榫头滑动结构的人工肋骨。所述的人工肋骨20，一端为腰形榫头21，其上开有腰形销钉过孔22，用于连接人工肋骨，并使连接的人工肋骨可自由的有限度的伸缩滑动。人工肋骨20另一端有一个腰形滑动榫槽23。滑动榫槽23侧方开有销钉固定孔24，用于使用销钉连接人体肋骨或其他人工肋骨。

图3为本发明提出的带有球状关节的单榫槽滑动结构的人工肋骨。所述的人工肋骨30，一端为腰形滑动榫槽31，其正面开有销钉固定孔32，用于使用销钉连接人体肋骨或其他人工肋骨。人工肋骨30另一端有一个球状关节33，用于连接3D打印的人工胸骨。

图4为本发明提出的带有球状关节的单榫头滑动结构的人工肋骨。所述的人工肋骨40，一端为腰形榫头41，其上开有腰形销钉过孔42，用于连接人工肋骨，并使连接的人工肋骨可自由的有限度的伸缩滑动。人工肋骨40另一端有一个球状关节43，用于连接3D打印的人工胸骨。

图5为本发明的实施例1，该图显示了一种人体肋骨与多段式人工肋骨构成的肋骨修复连接示意图。图中，人体肋骨51，通过腰形槽11与双榫槽人工肋骨10相连接，并使用销钉50将其固定在人工肋骨10上。再使用人工肋骨10的另一端的腰形槽11，与带球状关节的人工肋骨40的榫头41相连接。人工肋骨40和人工肋骨10通过使用销钉50，穿过人工肋骨40的榫头41上的腰形孔槽42，进行连接固定。固定后，榫头41可在榫槽11中伸缩滑动，实现随着病人胸廓的扩张或收缩，被动的伸长或缩短，不再约束胸廓和肺叶的运动的功能。人工肋骨40的球状关节43可用于连接人工胸骨，最终实现人体肋骨的结构和功能的修复。

图6为本发明的实施例2，该图显示了单榫槽单榫头人工肋骨与双榫槽人工肋骨组合构成的多段式人工肋骨连接示意图。图中，单榫槽单榫头人工肋骨20通过其榫头21与双榫槽人工肋骨10相连接。当榫头21插入后，销钉60通过人工肋骨10的销钉固定孔12，插入榫头21上的腰形孔槽22将二者固定连接。固定后，榫头21可在榫槽中伸缩滑动，实现随着病人胸廓的扩张或收缩，被动的伸长或缩短，不再约束胸廓和肺叶的运动的功能。另一侧的人工肋骨20也通过相同方法与人工肋骨10相连接，并使用销钉60固定。固定后两人工肋骨也可自由伸缩滑动。如果有需要上述的多段式人工肋骨可与其他人工肋骨、人体肋骨或人体胸骨相连接，最终实现人体肋骨的结构和功能的修复。

本发明实施例中，3D打印人工肋骨采用聚芳醚酮类材料制作，也可以采用钛合金或者其他金属材料或工程塑料制作。

本发明实施例1和实施例2可以单独实施，也可以二者组合实施。其实施的数量没有限制，依据实际情况而定。

本发明具有多种不同结构的分段式人工肋骨模块，可以根据实际需要灵活选用，组合成不同长度、不同形状的人工肋骨，满足不同病人的肋骨置换手术需求。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本发明提出的四种结构的人工肋骨可自由进行组合，实现人体肋骨的结构和功能的修复。此外，不论是否采用任何金属材料、塑料或其他任何材料实施，或采用其他类似形状、结构、或数量不等的连接，均落在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有可伸缩结构的多段式3D 打印人工肋骨，包括不同形式的人工肋骨模型，其特征在于：所述的人工肋骨模型有四种不同结构形式；所述的人工肋骨两端具有榫槽或榫头结构；所述的不同结构的人工肋骨或人体肋骨由滑动榫连接，组合成多段式人工肋骨；所述的多段式人工肋骨可以在滑动榫槽中作定向的伸缩运动；所述伸缩运动的幅度被销钉所限制；所述的人工肋骨模型为弧形结构，其弧度和长度由CT或核磁共振（MRI）等医学影像数据拟合得到。

2.如权利要求1所述的3D 打印人工肋骨，其特征在于：所述的人工肋骨10具有双榫槽滑动结构，其两端均为腰形滑动榫槽11，其正面开有销钉固定孔12。

3.如权利要求1所述的3D 打印人工肋骨，其特征在于：所述的人工肋骨20具有单榫槽单榫头结构，一端为腰形榫头21，榫头21上开有腰形销钉过孔22；所述的人工肋骨20另一端有一个腰形滑动榫槽23，其正面开有销钉固定孔24。

4.如权利要求1所述的3D 打印人工肋骨，其特征在于：所述的人工肋骨30，一端为腰形滑动榫槽31，其正面开有销钉固定孔32；所述的人工肋骨30，另一端有一个球状关节33。

5.如权利要求1所述的3D 打印人工肋骨，其特征在于：所述的人工肋骨40，一端为腰形榫头41，其正面开有腰形销钉过孔42；所述的人工肋骨40，另一端有一个球状关节43。