CN108577958A - 一种基于拓扑优化的个性化3d打印跟骨钢板的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，先进行跟骨模型的三维重建，之后提取和构建跟骨外侧曲面轮廓、构建跟骨曲面钢板雏形与配置螺钉、跟骨雏形钢板的有限元分析及拓扑优化重设计，最后3D打印成型。该方法基于个性化治疗原则，突破了传统设计和制造技术的限制，有效恢复跟骨高度和关节面复位的平整性，结合3D打印个性化制造实现解剖形态匹配和固定刚度的最大化，从而提高跟骨骨折钢板内固定治疗的效果。根据该方法设计的跟骨钢板解决了传统跟骨内固定钢板难以达到的个性化解剖匹配、固定稳定性不足和植入物相关软组织并发症等问题，易于塑形、切迹更低、生物力学稳定性更好、术后皮瓣坏死风险更低。

Description

一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法
技术领域
本发明涉及骨关节损伤临床修复重建和植入式医疗器械设计技术领域，尤其涉及一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法。
背景技术
跟骨骨折是临床上常见的一种骨折类型，常由高处坠下或挤压致伤。典型的跟骨骨折具有以下特点：1)多数骨折均波及距下关节面：前、中、后三个关节面均可受到累及；2)往往伴有严重的骨质压缩和塌陷：垂直压缩载荷使得以松质骨为主要结构的跟骨发生严重的关节面塌陷，同时内部松质骨被压缩，往往手术复位后会形成关节软骨下方出现空洞而缺乏有效关节面支撑；3)常常并发严重的软组织血供障碍：跟骨粉碎性骨折常常呈现显著的骨折块向内外侧移位，该部位皮瓣菲薄，血供条件代偿能力较差，移位骨折块的侧向压迫往往加剧这一状况。
除了少部分无移位的跟骨骨折类型，绝大多数跟骨骨折都需要手术切开复位内固定治疗，因此，通过跟骨钢板的螺钉内固定治疗已然成为了目前跟骨骨折的主流手术方式。目前现有的跟骨钢板的植入多采用外侧入路植入，而外侧入路在清楚显露距下关节面的同时，其术后发生皮瓣坏死的风险也相对较高。同时，临床上常用的外侧入路内固定跟骨钢板多为普通的分枝状重建钢板，其厚度较薄，虽易于术中塑形，但无法提供足够的成角稳定性，支撑关节面效果不佳，往往需要患者取自体骨植入。而跟骨锁定钢板则有效克服了以上的不足，大大提高了骨折固定的稳定性。尽管如此，锁定钢板同样存在着切迹过大、难以塑形、解剖匹配度差以及术后皮瓣坏死风险过高等问题。
上述传统规格化的跟骨钢板产品，解剖匹配度、钢板切迹以及支撑重建效果均难以满足临床骨折治疗需求，固定效果无法实现个体化和最优化，特别在定制化方面，传统制造手段获取的定制化植入跟骨钢板具有成本高、加工困难等局限，不利于临床推广应用。
因此，针对上述现有技术不足，如何综合运用医学影像和工程结构优化技术来进行跟骨内固定钢板的个性化设计和制造以实现易于塑形、切迹更低、生物力学稳定性更好、术后皮瓣坏死风险更低的个性化跟骨内固定钢板是解决目前跟骨骨折内固定治疗问题的关键，提供一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法以克服现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明提供了一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，通过该方法设计制造的个性化跟骨内固定钢板具有易于塑形、切迹更低、生物力学稳定性更好、术后皮瓣坏死风险更低的特点。
本发明的上述目的通过如下技术手段实现。
提供一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，依次包括如下步骤：
S1.采集同一目标对象双侧跟骨的计算机断层成像数据，并将所获得的断层成像数据导入三维重建软件进行图像分割处理，建立同一目标对象双侧跟骨的三维模型，同一目标对象的双侧跟骨三维模型包括健侧跟骨三维模型和患侧跟骨三维模型；
S2.利用三维建模软件，将健侧跟骨三维模型通过矢状面对称的方式镜像成像至患侧，得到患侧骨折发生前的完整结构参考模型，导出为STL文件；
S3.将完整结构参考模型对应的STL文件导入逆向工程软件中进行模型表面修饰处理，并构造跟骨外侧骨面轮廓的曲面片，拟合成跟骨实体模型；
S4.将步骤S3中的跟骨实体模型导入CAD软件中提取跟骨钢板雏形的曲面，然后将提取的曲面沿着法向向外加厚，得到曲面钢板，并根据患侧的跟骨骨折形态进行曲面钢板上的螺钉定向和打孔配置操作，完成跟骨钢板雏形的建模；
S5.将步骤S4中的跟骨钢板雏形连同螺钉导入有限元分析软件，设定生理状态下跟骨的载荷参数、材料属性及边界条件，进行模型网格划分和有限元数据分析，得到跟骨骨折有限元模型雏形；
S6.将跟骨骨折有限元模型雏形导入拓扑优化软件中，设置包括拓扑优化方法、设计变量、目标函数和约束条件的优化参数，提交拓扑优化分析后进入优化迭代运算，直至优化结果满足目标函数最小化及约束条件，将优化后的模型导入CAD软件中进行钢板的重新设计，得到新设计的钢板CAD模型；
S7.将步骤S6得到的新设计的钢板CAD模型再次导入有限元分析软件中进行分析验证，判断若分析结果达到预期设计目标，则进入步骤S8，若分析结果未达到预期设计目标，则将新设计的钢板CAD模型作为跟骨骨折有限元模型雏形返回步骤S6，直到优化设计的钢板达到预期设计的目标，将满足设计目标的新钢板模型导出为STL文件；
S8.将步骤S7输出的新钢板模型STL文件导入到3D打印成型设备中，利用3D打印前处理软件对模型进行支撑生成，并选择相应的成型材料和快速成型工艺完成钢板的打印成型，进一步对钢板进行去除支撑、抛光的后续处理，最终得到成品钢板。
进一步的，步骤S1中，目标跟骨断层影像数据通过CT扫描、MRI扫描或micro-CT扫描成像设备获取。
进一步的，步骤S1中，所采用的三维重建软件为Mimics、Simpleware或3D-doctor医学图像重建软件；所采用的图像分割处理方法为阈值自动分割法、区域增长分割法、手动分割法中的一种或多种的组合。
进一步的，步骤S2中，三维建模软件为Mimics、Geomagic Studio、Solidworks或UGNX计算机三维建模软件。
进一步的，步骤S3中，构建曲面所用的逆向工程软件为Geomagic studio、CopyCAD、Imageware或RapidForm软件；表面修饰处理为光顺表面、去除局部特征、填充孔、重画网格中的一种或多种。
进一步的，步骤S6中，拓扑优化方法为均匀化方法、变密度法、刚度法或遗传算法。
进一步的，步骤S6中，设计变量为钢板优化设计区域内的单元相对密度x，x＝[x1,x2,x3,…xn]T，n为设计变量的个数，n为正整数，xn代表第n个设计变量，[x1,x2,x3,…xn]T为[x1,x2,x3,…xn]的转置矩阵；优化设计区域为除去螺钉钉孔区域外的整个钢板主体。
进一步的，步骤S6中，目标函数为钢板固定模型柔度的最小值minf(x)。
进一步的，步骤S6中，约束条件为垂直载荷下，优化后的钢板体积V不超过现有任意型号钢板的体积V0，即1≤i≤n，i为正整数，xi代表第i个设计变量，Vi代表在xi这一设计变量条件下优化所得的钢板体积。
进一步的，步骤S8中，所采用的3D打印材料为聚醚醚酮、多聚乳酸或钛合金，成型工艺为电子束熔融、选择性激光烧结或三维印刷工艺。
本发明提供的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，解决了传统跟骨内固定钢板难以达到的个性化解剖匹配、固定稳定性不足和植入物相关软组织并发症等问题，并有效恢复跟骨高度和关节面复位的平整性，结合3D打印个性化制造实现解剖形态匹配和固定刚度的最大化，从而提高跟骨骨折钢板内固定治疗的效果。通过该方法设计制造的个性化跟骨内固定钢板易于塑形、切迹更低、生物力学稳定性更好、术后皮瓣坏死风险更低。
附图说明
利用附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明的实施流程示意图；
图2是本发明实施例中构建健侧跟骨镜像三维模型的示意图；
图3是本发明实施例中对跟骨外表面轮廓提取并设计出的钢板雏形模型示意图；
图4是本发明实施例中在跟骨钢板雏形模型基础上进行拓扑优化设计的流程图；
图5是本发明在实施例中采用拓扑优化技术对原有钢板优化设计的效果图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1。
如图1所示，一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，依次包括如下步骤：
(1)双侧跟骨断层成像数据采集
采集同一目标对象双侧跟骨的计算机断层成像数据，并将所获得的断层成像数据导入三维重建软件进行图像分割处理，建立同一目标对象双侧跟骨的三维模型，同一目标对象的双侧跟骨三维模型包括健侧跟骨三维模型和患侧跟骨三维模型；
本实施例中目标跟骨断层影像数据通过CT扫描成像设备获取。需要说明的是断层影像数据还可通过MRI扫描或micro-CT扫描成像设备获取；所采用的三维重建软件为Mimics软件，需要说明的是三维重建软件还可为Simpleware或3D-doctor等医学图像重建软件；所采用的图像分割处理方法为阈值自动分割法、区域增长分割法、手动分割法中的一种或多种的组合。当图像质量极高的情况下可以采用全自动阈值分割，否则的话都需要人为进行逐层分割，直至分割处理达到满意。
(2)完整的患侧跟骨模型重构
利用三维建模软件，将健侧跟骨三维模型通过矢状面对称的方式镜像成像至患侧，得到患侧骨折发生前的完整结构参考模型，导出为STL文件；如图2所示，左侧为完整健侧跟骨模型，右侧为健侧跟骨的矢状面镜像模型。
本实施例中所用三维建模软件为Mimics软件，需要说明的是三维建模软件还可为Geomagic Studio、Solidworks或UG NX计算机三维建模软件。
(3)跟骨外侧曲面轮廓的构建和提取
将完整结构参考模型对应的STL文件导入逆向工程软件中进行模型表面修饰处理，并构造跟骨外侧骨面轮廓的曲面片，拟合成跟骨实体模型；
本实施例中，构建曲面所用的逆向工程软件为Geomagic studio，需要说明的是所用的逆向工程软件还可为CopyCAD、Imageware或RapidForm软件；表面修饰处理为光顺表面、去除局部特征、填充孔、重画网格中的一种或多种，以得到外观更为协调的三维模型为目的，上述表面修饰处理可根据人为观察模型灵活选用。
(4)跟骨曲面钢板雏形的构建与螺钉配置
将步骤(3)中的跟骨实体模型导入CAD软件中提取跟骨钢板雏形的曲面，然后将提取的曲面沿着法向向外加厚，得到曲面钢板，并根据患侧的跟骨骨折形态进行曲面钢板上的螺钉定向和打孔配置操作，完成跟骨钢板雏形的建模，如图3所示。
(5)跟骨雏形钢板的有限元分析
将步骤(4)中的跟骨钢板雏形连同螺钉导入有限元分析软件，设定生理状态下跟骨的载荷参数、材料属性及边界条件，进行模型网格划分和有限元数据分析，得到跟骨骨折有限元模型雏形；
(6)拓扑优化重设计钢板
将跟骨骨折有限元模型雏形导入拓扑优化软件中，参照如图4所示的优化流程进行拓扑优化，设置包括拓扑优化方法、设计变量、目标函数和约束条件的优化参数，提交拓扑优化分析后进入优化迭代运算，直至优化结果满足目标函数最小化及约束条件，将优化后的模型导入CAD软件中进行钢板的重新设计，得到新设计的钢板CAD模型；
本实施例中，拓扑优化方法采用变密度法，需要说明的是还可采用均匀化方法、、刚度法或遗传算法。
优化过程中，设计变量设定为钢板优化设计区域内的单元相对密度x，x＝[x1,x2,x3,…xn]T，n为设计变量的个数，n为正整数，xn代表第n个设计变量，[x1,x2,x3,…xn]T为[x1,x2,x3,…xn]的转置矩阵；优化设计区域为除去螺钉钉孔区域外的整个钢板主体，冻结螺钉钉孔区域使之不参与优化；
目标函数设定为钢板固定模型柔度的最小值minf(x)，即最大化刚度；
约束条件设定为垂直载荷下，优化后的钢板体积V不超过现有任意型号钢板的体积V0，即1≤i≤n，i为正整数，xi代表第i个设计变量，Vi代表在xi这一设计变量条件下优化所得的钢板体积。
(7)重设计钢板的有限元分析评估
将步骤(6)得到的新设计的钢板CAD模型再次导入有限元分析软件中进行分析验证，判断若分析结果达到预期设计目标，则进入步骤(8)，若分析结果未达到预期设计目标，则将新设计的钢板CAD模型作为跟骨骨折有限元模型雏形返回步骤(6)，直到优化设计的钢板达到预期设计的目标，将满足设计目标的新钢板模型导出为STL文件；
(8)个性化跟骨钢板的3D打印成型
钢板优化设计前后的效果如图5所示，将步骤(7)输出的新钢板模型STL文件导入到3D打印成型设备中，利用3D打印前处理软件对模型进行支撑生成，并选择相应的成型材料和快速成型工艺完成钢板的打印成型，进一步对钢板进行去除支撑、抛光的后续处理，最终得到成品钢板。
本实施例中，所采用的3D打印材料为钛合金或包括聚醚醚酮、多聚乳酸的非金属生物相容性材料，成型工艺根据打印材料而确定，钛合金材料选用激光选区烧结工艺，非金属材料选用电子束熔融工艺。
本发明对个性化跟骨钢板的设计上采用了患者肢体的CT/MRI断层影像数据作为三维重建的基础，数据来源可靠且容易获取，可在基层医疗机构实施；所采用的逆向工程技术建模方法，充分利用人体镜像对称原理，以计算机三维空间配准技术获得患侧跟骨伤前原有的完整形态模型，在此基础上设计的跟骨钢板具有高度的个性化解剖匹配度优点。
本发明采用拓扑优化技术获得的最大程度减体积钢板形态设计可在确保固定刚度最大化的前提下，有效降低了钢板切迹，有效保护了局部软组织的血供并为塌陷关节面提供了有效支撑，从而避免了自体取骨支撑植骨的相关并发症，使跟骨完全恢复伤前的形态。
个性化跟骨钢板具有高度不规则的曲面，传统机床加工难以通过切削工艺来完成钢板的成型制造，而本发明设计的跟骨钢板直接采用3D打印成形的方法来制造，实现钢板的直接成型，节省时间成本的同时还克服了传统制造工艺高成本、工序繁琐等不足。同时，3D打印直接成型的个性化钢板也避免了术中反复塑形导致的机械强度下降，同时也大大缩短了手术时间。
本发明提供的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，基于个性化治疗原则，通过建立起双侧跟骨形态学三维模型，采用逆向工程技术进行个性化植入体的曲面设计，结合拓扑优化技术对钢板的内固定生物力学性能及生物学特性进行优化设计，进一步利用3D打印方法对钢板以医用级材料打印成形，突破了传统设计和制造技术的限制，并具有优越的生物力学性能及更好的软组织保护作用，可广泛用于各型跟骨骨折的修复重建。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
S1.采集同一目标对象双侧跟骨的计算机断层成像数据，并将所获得的断层成像数据导入三维重建软件进行图像分割处理，建立同一目标对象双侧跟骨的三维模型，同一目标对象的双侧跟骨三维模型包括健侧跟骨三维模型和患侧跟骨三维模型；
S2.利用三维建模软件，将健侧跟骨三维模型通过矢状面对称的方式镜像成像至患侧，得到患侧骨折发生前的完整结构参考模型，导出为STL文件；
S3.将完整结构参考模型对应的STL文件导入逆向工程软件中进行模型表面修饰处理，并构造跟骨外侧骨面轮廓的曲面片，拟合成跟骨实体模型；
S4.将步骤S3中的跟骨实体模型导入CAD软件中提取跟骨钢板雏形的曲面，然后将提取的曲面沿着法向向外加厚，得到曲面钢板，并根据患侧的跟骨骨折形态进行曲面钢板上的螺钉定向和打孔配置操作，完成跟骨钢板雏形的建模；
S5.将步骤S4中的跟骨钢板雏形连同螺钉导入有限元分析软件，设定生理状态下跟骨的载荷参数、材料属性及边界条件，进行模型网格划分和有限元数据分析，得到跟骨骨折有限元模型雏形；
S6.将跟骨骨折有限元模型雏形导入拓扑优化软件中，设置包括拓扑优化方法、设计变量、目标函数和约束条件的优化参数，提交拓扑优化分析后进入优化迭代运算，直至优化结果满足目标函数最小化及约束条件，将优化后的模型导入CAD软件中进行钢板的重新设计，得到新设计的钢板CAD模型；
S7.将步骤S6得到的新设计的钢板CAD模型再次导入有限元分析软件中进行分析验证，判断若分析结果达到预期设计目标，则进入步骤S8，若分析结果未达到预期设计目标，则将新设计的钢板CAD模型作为跟骨骨折有限元模型雏形返回步骤S6，直到优化设计的钢板达到预期设计的目标，将满足设计目标的新钢板模型导出为STL文件；
S8.将步骤S7输出的新钢板模型STL文件导入到3D打印成型设备中，利用3D打印前处理软件对模型进行支撑生成，并选择相应的成型材料和快速成型工艺完成钢板的打印成型，进一步对钢板进行去除支撑、抛光的后续处理，最终得到成品钢板。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，目标跟骨断层影像数据通过CT扫描、MRI扫描或micro-CT扫描成像设备获取。
3.根据权利要求2所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，所采用的三维重建软件为Mimics、Simpleware或3D-doctor医学图像重建软件；所采用的图像分割处理方法为阈值自动分割法、区域增长分割法、手动分割法中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求3所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，三维建模软件为Mimics、Geomagic Studio、Solidworks或UG NX计算机三维建模软件。
5.根据权利要求4所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，其特征在于：所述步骤S3中，构建曲面所用的逆向工程软件为Geomagic studio、CopyCAD、Imageware或RapidForm软件；所述表面修饰处理为光顺表面、去除局部特征、填充孔、重画网格中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，其特征在于：所述步骤S6中，拓扑优化方法为均匀化方法、变密度法、刚度法或遗传算法。
7.根据权利要求6所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，其特征在于：所述步骤S6中，设计变量为钢板优化设计区域内的单元相对密度x，x＝[x1,x2,x3,…xn]T，n为设计变量的个数，n为正整数，xn代表第n个设计变量，[x1,x2,x3,…xn]T为[x1,x2,x3,…xn]的转置矩阵；所述优化设计区域为除去螺钉钉孔区域外的整个钢板主体。
8.根据权利要求7所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，其特征在于：所述步骤S6中，目标函数为钢板固定模型柔度的最小值minf(x)。
9.根据权利要求8所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，其特征在于：所述步骤S6中，约束条件为垂直载荷下，优化后的钢板体积V不超过现有任意型号钢板的体积V0，即V＝1≤i≤n，i为正整数，xi代表第i个设计变量，Vi代表在xi这一设计变量条件下优化所得的钢板体积。
10.根据权利要求9所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，其特征在于：所述步骤S8中，所采用的3D打印材料为聚醚醚酮、多聚乳酸或钛合金，成型工艺为电子束熔融、选择性激光烧结或三维印刷工艺。
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109528282A (zh) * 2018-10-22 2019-03-29 沙洲职业工学院 一种定制胫骨锁定钢板的制备方法
CN109878073A (zh) * 2019-03-28 2019-06-14 哈尔滨理工大学 一种3d打印机成型精度优化方法
CN109908502A (zh) * 2019-03-28 2019-06-21 广东医科大学 一种可个体化定制的呼吸防护鼻贴及其人工智能化制备系统
CN110522501A (zh) * 2019-08-09 2019-12-03 常州市第二人民医院 3d打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法
CN110811929A (zh) * 2019-11-07 2020-02-21 西安交通大学 一种个性化下肢长骨节段替代物及其制备方法
CN111134824A (zh) * 2020-01-02 2020-05-12 南方医科大学 一种3d打印胫骨远端钢板及其制备方法
CN111265355A (zh) * 2020-01-19 2020-06-12 东莞市虎门医院 一种定制化3d打印透气性前臂固定支具的制备方法
CN111368399A (zh) * 2020-02-06 2020-07-03 广东医科大学附属医院 一种锁定接骨板刚度个性化设计获取方法
CN111419480A (zh) * 2020-03-27 2020-07-17 中国人民解放军陆军军医大学第一附属医院 一种个体化距下关节融合器及其制作方法
CN112089430A (zh) * 2019-05-29 2020-12-18 上海理工大学 骨折和关节置换患者固定钢板制作方法
CN112233801A (zh) * 2020-12-17 2021-01-15 季华实验室 内置假体拓扑优化数学模型构建方法及拓扑优化设计方法
CN113576643A (zh) * 2020-03-10 2021-11-02 河北医科大学第三医院 用于下肢骨折断骨侧向畸形的复位系统
CN115475035A (zh) * 2021-05-31 2022-12-16 肇庆学院 人工髋关节的股骨柄的设计方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104462723A (zh) * 2014-12-25 2015-03-25 北京航空航天大学 一种基于拓扑优化及骨重建仿真的个性化椎间融合器设计方法
CN106073870A (zh) * 2016-05-30 2016-11-09 南方医科大学 一种骨关节面重建3d打印修复植入体的方法
CN106113497A (zh) * 2016-06-28 2016-11-16 南方医科大学 一种个性化踝关节骨折支具的数字化设计及3d打印方法
CN107261311A (zh) * 2017-06-12 2017-10-20 南方医科大学 个性化压力面具的数字化设计及3d打印制备方法
CN107680163A (zh) * 2017-09-30 2018-02-09 浙江工业大学 一种个性化3d优化结构内固定板的制作方法及内固定板

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104462723A (zh) * 2014-12-25 2015-03-25 北京航空航天大学 一种基于拓扑优化及骨重建仿真的个性化椎间融合器设计方法
CN106073870A (zh) * 2016-05-30 2016-11-09 南方医科大学 一种骨关节面重建3d打印修复植入体的方法
CN106113497A (zh) * 2016-06-28 2016-11-16 南方医科大学 一种个性化踝关节骨折支具的数字化设计及3d打印方法
CN107261311A (zh) * 2017-06-12 2017-10-20 南方医科大学 个性化压力面具的数字化设计及3d打印制备方法
CN107680163A (zh) * 2017-09-30 2018-02-09 浙江工业大学 一种个性化3d优化结构内固定板的制作方法及内固定板

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109528282A (zh) * 2018-10-22 2019-03-29 沙洲职业工学院 一种定制胫骨锁定钢板的制备方法
CN109878073A (zh) * 2019-03-28 2019-06-14 哈尔滨理工大学 一种3d打印机成型精度优化方法
CN109908502A (zh) * 2019-03-28 2019-06-21 广东医科大学 一种可个体化定制的呼吸防护鼻贴及其人工智能化制备系统
CN109908502B (zh) * 2019-03-28 2024-02-02 广东医科大学 一种可个体化定制的呼吸防护鼻贴及其人工智能化制备系统
CN112089430A (zh) * 2019-05-29 2020-12-18 上海理工大学 骨折和关节置换患者固定钢板制作方法
CN110522501A (zh) * 2019-08-09 2019-12-03 常州市第二人民医院 3d打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法
CN110811929A (zh) * 2019-11-07 2020-02-21 西安交通大学 一种个性化下肢长骨节段替代物及其制备方法
CN110811929B (zh) * 2019-11-07 2021-01-15 西安交通大学 一种个性化下肢长骨节段替代物及其制备方法
CN111134824A (zh) * 2020-01-02 2020-05-12 南方医科大学 一种3d打印胫骨远端钢板及其制备方法
CN111265355A (zh) * 2020-01-19 2020-06-12 东莞市虎门医院 一种定制化3d打印透气性前臂固定支具的制备方法
CN111368399A (zh) * 2020-02-06 2020-07-03 广东医科大学附属医院 一种锁定接骨板刚度个性化设计获取方法
CN113576643A (zh) * 2020-03-10 2021-11-02 河北医科大学第三医院 用于下肢骨折断骨侧向畸形的复位系统
CN113576643B (zh) * 2020-03-10 2022-08-30 河北医科大学第三医院 用于下肢骨折断骨侧向畸形的复位系统
CN111419480A (zh) * 2020-03-27 2020-07-17 中国人民解放军陆军军医大学第一附属医院 一种个体化距下关节融合器及其制作方法
CN112233801B (zh) * 2020-12-17 2021-03-26 季华实验室 内置假体拓扑优化数学模型构建方法及拓扑优化设计方法
CN112233801A (zh) * 2020-12-17 2021-01-15 季华实验室 内置假体拓扑优化数学模型构建方法及拓扑优化设计方法
CN115475035A (zh) * 2021-05-31 2022-12-16 肇庆学院 人工髋关节的股骨柄的设计方法

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