CN111000626B - 一种钛合金医用内固定板的塑形方法 - Google Patents

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CN111000626B CN201910987868.8A CN201910987868A CN111000626B CN 111000626 B CN111000626 B CN 111000626B CN 201910987868 A CN201910987868 A CN 201910987868A CN 111000626 B CN111000626 B CN 111000626B
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Abstract

本发明公开了一种钛合金医用内固定板的塑形方法，包括：步骤1，获取目标患者已有的骨组织三维虚拟模型；步骤2，在虚拟环境中模拟出与骨组织三维虚拟模型贴合的虚拟内固定板的弯折形状；步骤3，提取步骤2得到的虚拟内固定板弯折形状的空间特征信息，并利用得到的空间特征信息驱动弯曲机构的夹头对钛合金内固定板标准件实体进行实际弯曲，得到可用于目标患者的钛合金医用内固定板。本发明可以提高钛合金医用内固定板的弯折效率和贴合精度，而且可减少反复弯折，规避金属疲劳，同时可缩短术前准备时间，降低手术准备成本。

Description

一种钛合金医用内固定板的塑形方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是指一种钛合金医用内固定板的塑形方法。
背景技术
由于车祸、摔伤、磕碰等外伤因素，会造成人体骨组织的断裂、碎裂或部分缺失。骨组 织病变(良恶性肿瘤等)会造成骨组织形态破坏或功能丧失，在疾病治疗过程中医务人员不 得不对病变的骨组织进行切开或切除，这就造成了骨组织连续性的破坏。骨组织的不完整会 影响人体的相应机能，比如颌骨的不完整不仅影响患者面部的美观，而且直接影响着患者的 咀嚼、言语等功能，影响着患者的身心健康。
针对骨组织的缺损或缺失，医疗过程中需要使用钛合金内固定器械对各骨段进行连接， 而在更为前沿的手术中部分患者需要使用其他部位的骨组织来填补患者目标骨组织的缺失部 位，修复过程围绕如何更好的恢复患者目标骨组织形态展开，而最终形态的一个重要维持装 置就是个性化弯制的钛合金内固定器械。
目前医疗过程中可以使用影像学技术获取患者个性化目标骨组织的形状；然后通过手术 模拟，可以在手术前确定预期的手术后骨组织形态；通过3D打印等手段，可以将目标骨组 织形态制作成等比例实物；然后通过数字化设计制造流程完成个性化手术导板的制造，导板 可使医生按照预期切割裁剪骨段；术前或术中医生会通过手工工具弯制一个钛合金内固定器 械，使之与患者最终目标骨组织贴合。医生在弯曲钛合金固定板前，并不知道最终与目标骨 组织能够贴合的形状特征，且在弯曲过程中需要不断与目标骨组织实物、目标骨组织预期模 型或软铝合金条进行对比，并对钛合金固定件不断进行弯曲微调，直至钛合金固定件的形状 符合要求。
目前虽3D打印钛合金产品已进入实验阶段，未来可能直接制造符合颌骨形态的内固定 器械，但由于制造工艺改变，其成本较传统标准形态的钛合金内固定器械增高，且由于改变 了制造方法，力学、生物学效益需要重新评价。故传统标准形态的钛合金内固定器械仍将较 长期的应用在临床工作中。
现有的钛合金医用内固定板弯曲方法，存在如下问题：
1、手术前进行钛板弯制需要制作患者个体的目标骨组织打印模型实体，在医生进行钛合 金内固定板弯曲前，没有合适的方法知道钛合金内固定板的弯曲形状，只能依靠操作者经验， 因此耗时较长。术前高精度弯制平均耗时接近2小时；如果在术中快速弯制，则与目标骨组 织的贴合精度极低。
2、由于无法预知钛合金内固定板应弯曲的形状信息，在实际操作中，会对钛合金内固定 板反复弯折调整，一旦金属疲劳发生断裂，钛合金板将作废，医用钛合金价格高昂，意外断 裂产生材料浪费；
3、目标骨组织扫描后需要进行3D模型打印，增加了准备时间，且3D打印成本较高。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提 供一种钛合金医用内固定板的塑形方法，使得到的钛合金医用内固定板与目标骨组织较高精 度贴合。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种钛合金医用内固定板的塑形方法，包括以下步骤：
步骤1，获取目标患者已有的骨组织三维虚拟模型；
步骤2，在虚拟环境中模拟出与骨组织三维虚拟模型贴合的虚拟内固定板的弯折形状；
步骤3，提取步骤2得到的虚拟内固定板弯折形状的空间特征信息，并利用得到的空间 特征信息驱动弯曲机构的夹头对钛合金内固定板标准件实体进行实际弯曲，得到可用于目标 患者的钛合金医用内固定板。
进一步地，步骤2中模拟虚拟内固定板的弯折形状的方法为：
步骤2.1，在骨组织三维虚拟模型上选择贴合初始点P1，将虚拟内固定板的第1个弯折圆 片在贴合初始点P1附近与骨组织三维虚拟模型进行最佳虚拟贴合，得到第1个弯折圆片在最 佳虚拟贴合时的位置，将该位置作为最佳弯折位置；
其中，最佳虚拟贴合是指弯折圆片与骨组织三维虚拟模型之间至少存在1个接触点，且 弯折圆片的最佳弯折位置包括该弯折圆片当前的圆心及姿态向量；
步骤2.2，令i＝1；
步骤2.3，在骨组织三维虚拟模型上指定点Pi+1作为虚拟内固定板第i+1个弯折圆片的拟 弯折方向；
步骤2.4，利用第i个弯折圆片的最佳弯折位置和骨组织三维虚拟模型上的指定点Pi+1， 求解虚拟内固定板的第i+1个弯折圆片的最佳弯折位置；
若第i+1个弯折圆片与骨组织三维虚拟模型之间没有接触点，则提示重新指定点Pi+1，并 返回执行步骤2.3；
步骤2.5，令i＝i+1，返回步骤2.3，直到求解得到虚拟内固定板上所有弯折圆片的最佳 弯折位置。
进一步地，步骤2.1中对第1个弯折圆片在贴合初始点P1附近与骨组织三维虚拟模型进 行最佳虚拟贴合的方法为：
步骤2.1.1，根据贴合初始点P1与骨组织三维虚拟模型的表面信息，确定与贴合初始点P1切平面垂直的法向量
Figure BDA0002237277400000031
步骤2.1.2，在法向量
Figure BDA0002237277400000032
的正方向上取一点Cinit，并设第1个弯折圆片的圆心位于点Cinit， 且第1个弯折圆片的法向量
Figure BDA0002237277400000033
步骤2.1.3，以点Cinit为起点，以向量
Figure BDA0002237277400000034
为方向，以△h为步长，平移虚拟内固定板，计 算新平移位置下的圆心C'1、法向量
Figure BDA0002237277400000035
步骤2.1.4，判断骨组织三维虚拟模型是否至少有1个点与第1个弯折圆片接触：若没有， 则赋值Cinit＝C'1、
Figure BDA0002237277400000036
返回步骤2.1.3；若有，则令当前步骤得到的接触点为第一接 触点T1′，此时执行步骤2.1.5；
步骤2.1.5，以步骤2.1.4得到的其中1个第一接触点T1′为原点，定义矢量
Figure BDA0002237277400000037
定 义矢量
Figure BDA0002237277400000038
且矢量
Figure BDA0002237277400000039
满足与
Figure BDA00022372774000000310
和
Figure BDA00022372774000000311
均垂直；骨组织三维虚拟模型表面每个可碰撞点T0与第 一接触点T1′形成直线，求解该直线与
Figure BDA00022372774000000312
所在平面的夹角θ，其中最小夹角θmin所对应 的点即为骨组织三维虚拟模型与第1个弯折圆片之间的第二接触点T1″；将弯折圆片绕第一接 触点T1′旋转角度θmin，旋转的方向要求使T1″在第1个弯折圆片上的投影与其本身重合，并计 算新旋转位置下的圆心C1″和姿态向量：
Figure BDA0002237277400000041
步骤2.1.5中骨组织三维虚拟模型表面的可碰撞点T0是指，骨组织三维虚拟模型表面上其 坐标位置与点C'1之间的距离满足以下条件的点：
Figure BDA0002237277400000042
D0表示弯折圆片的 弯折孔孔径，D1表示弯折圆片的外径；
步骤2.1.6，若通过步骤2.1.5找到第二接触点T1″，则将当前位置下的C1″、
Figure BDA0002237277400000043
作为第1个弯折圆片的空间特征信息；若通过步骤2.1.5未能找到第二接触点T1″，则将当前 位置下的C'1、
Figure BDA0002237277400000044
作为第1个弯折圆片的空间特征信息。
进一步地，步骤2.4中求解虚拟内固定板的第i+1个弯折圆片的最佳弯折位置的方法为：
步骤2.4.1，获取第i个弯折圆片的最佳弯折位置，即第i个弯折圆片的圆心Ci″及其姿态 向量：
Figure BDA0002237277400000045
分别作为第i个弯折圆片已知的圆心Ci及其姿态向量：
Figure BDA0002237277400000046
步骤2.4.2，在第i个弯折圆片下表面所在平面Plane1上求解点P′i+1，使点P′i+1满足：
Figure BDA00022372774000000416
且第i+1个弯折孔的圆心Ci+1位于直线Pi+1Ci在平面Plane1的投影直线上；定义 矢量
Figure BDA0002237277400000048
步骤2.4.3，骨组织三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片的可触碰点与圆心Ci形成直 线，求解该直线与
Figure BDA0002237277400000049
所在平面的夹角α，取最小夹角αmin所对应的可触碰点作为骨组织 三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片之间的第一接触点T′i+1；
步骤2.4.4，将第i+1个弯折圆片绕圆心Ci旋转角度αmin，旋转的方向要求使T′i+1在第i+1 个弯折圆片上的投影与其本身重合，得到第i+1个弯折圆片在当前旋转位置时的圆心C′i+1和 法向量
Figure BDA00022372774000000410
及矢量
Figure BDA00022372774000000411
步骤2.4.5，以骨组织三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片的其中1个第一接触点T′i+1为 原点，定义矢量
Figure BDA00022372774000000412
且矢量
Figure BDA00022372774000000413
满足与
Figure BDA00022372774000000414
和
Figure BDA00022372774000000415
同时垂直；骨组织三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片的可碰撞点T0，与第一接触点T′i+1形成直线，求解该直线与
Figure BDA0002237277400000051
所在平 面的的夹角θ，其中最小夹角θmin所对应的可碰撞点即为骨组织三维虚拟模型与第i+1个弯 折圆片之间的第二接触点T″i+1；将第i+1个弯折圆片绕第一接触点T′i+1旋转角度θmin，旋转的 方向要求使T″i+1在第i+1个弯折圆片上的投影与其本身重合，并计算第i+1个弯折圆片在新旋 转位置下的圆心C″i+1和姿态矢量：
Figure BDA0002237277400000052
其中，骨组织三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片之间的可碰撞点T0，是指骨组织三 维虚拟模型表面满足以下任一条件的点：
Figure BDA0002237277400000053
Figure BDA0002237277400000054
其中，Ci表示第i个弯折圆片的圆心初始位置，D0表示弯折圆片的弯折孔孔径，D1表示 弯折圆片的外径；
步骤2.4.6，若通过步骤2.4.5找到第二接触点T″i+1，则将当前位置下的C″i+1、
Figure BDA0002237277400000055
Figure BDA0002237277400000056
作为第i+1个弯折圆片的空间特征信息；若通过步骤2.1.5未能找到第二接触点T″i+1，则 将当前位置下的C′i+1、
Figure BDA0002237277400000057
作为第i+1个弯折圆片的空间特征信息。
进一步地，所述已有的骨组织三维虚拟模型，是通过扫描目标患者的目标骨组织部位得 到的数字化形态。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、在虚拟环境中模拟与骨组织三维虚拟模型贴合的弯折形状，相当于使用虚拟弯折的方 法对目标患者的骨组织进行预贴合，相比使用钛合金条进行直接弯折，可更便于操作者使用， 提高弯折效率和贴合精度；
2、提取虚拟的弯折形状的空间特征信息，并导入至专用的钛合金弯折装置，并使用自动 化编程的方式实现对钛合金内固定板标准件实体进行实际弯曲，可实现对钛合金内固定板标 准件一次弯折加工，即可得到与目标患者目标骨组织相吻合的钛合金医用内固定板，实现弯 折加工的标准化，从而减少反复弯折，规避金属疲劳风险；
3、只需要目标患者已有的骨组织三维虚拟模型，而无需要打印出三维模型实体，在虚拟 环境中对虚拟内固定板进行弯折实现与骨组织三维虚拟模型预贴合，缩短术前准备时间，降 低手术准备成本。且该方法针对的原材料是成熟的有医疗注册许可证的传统钛合金内固定板， 利用数字化手段将原有手工弯制改为机械手弯制，无需再次对材料安全性进行评价，安全性 经济性较3D打印直接制作的钛合金材料更高。
附图说明
图1为本发明实施例中未弯曲钛合金条初始形状；
图2为本发明实施例中第i个与第i+1个弯折圆片在未虚拟弯折前的初始位置示意图；
图中：Ci为第i个弯折圆片的圆心坐标，
Figure BDA0002237277400000061
为固定于圆心Ci的矢量，互相垂 直；
Figure BDA0002237277400000062
与矢量
Figure BDA0002237277400000063
在同一平面且平行，矢量
Figure BDA0002237277400000064
垂直于弯折圆片所在的平面；D0为弯折孔 内径，D1为弯折圆片外部直径；设在弯折圆片图形上的点与圆心Ci的距离d，当d<D0/2时，为空心孔，当D0/2<d<D1/2时为实体钛合金部分。M0为钛合金固定板在未产生弯折前 第i个弯折圆片的圆心Ci与第i+1个弯折圆片的圆心Ci+1之间的距离；
图3、4均为本发明实施例的下颌骨三维虚拟模型的形状示意图；
图5为本发明实施例中第1个弯折圆片与下颌骨在虚拟贴合过程中第一次碰撞点求解图 示；
图中：P1为下颌骨三维虚拟模型外表面上的某点，由用户手动选定，用以初步确定第1 个弯折圆片与下颌骨三维虚拟模型表面的虚拟贴合初始位置；
Figure BDA0002237277400000065
为下颌骨表面虚拟模型中 P1点处切面法向量；
图6为本发明实施例中第1个弯折圆片第二次碰撞点的求解图示；
图中：C″1、
Figure BDA0002237277400000066
为第1个弯折圆片第一次与下颌骨三维虚拟模型碰撞时的孔心位 置与姿态矢量；T1″为以T1′为旋转圆心，，将第1个弯折圆片旋转θmin角度后与下颌骨表面的 接触点；C″1、
Figure BDA0002237277400000067
为第1个弯折圆片此时的圆心位置与姿态矢量。
图7为本发明实施例中求解第i+1个弯折圆片的第一次碰撞点的示意图；
图中：本图为钛合金内固定板的侧视图。第i个弯折圆片已确认其虚拟弯折位置，Ci为 第i个弯折圆片的圆心，
Figure BDA0002237277400000071
为固定于圆心Ci的矢量，
Figure BDA0002237277400000072
与弯折圆片垂直；
Ci+1为第i+1个弯折圆片在未弯折前的圆心位置，
Figure BDA0002237277400000073
为固定于圆心Ci+1的矢量，
Figure BDA0002237277400000074
与弯折圆片垂直；
点Pi+1为：下颌骨三维虚拟模型外表面上的某点，由用户手动选定，用以初步确定第i+1 个弯折圆片的虚拟弯折方向；
点P′i+1为：令过圆心Ci且垂直于矢量
Figure BDA0002237277400000075
的平面为Plane1，在平面Plane1上求解点P′i+1使 得该点满足：a)
Figure BDA0002237277400000076
b)C'i位于直线Pi+1Ci在平面Plane1的投影直线上；
T′i+1为：第i+1个弯折圆片与下颌骨三维虚拟模型表面的第一接触点，C′i+1、
Figure BDA0002237277400000077
为第i+1个弯折圆片在旋转角度αmin之后的圆心位置与姿态矢量，且此时直线Ci+1Ci与矢量
Figure BDA0002237277400000078
平行；
图8为本发明实施例中求解第i+1个弯折圆片的第二次碰撞点的示意图；
图中，C′i+1、
Figure BDA0002237277400000079
为第i+1个弯折圆片在虚拟弯折中出现第一次与下颌骨碰撞时 的圆片孔心位置与姿态矢量，各变量定义与图7中定义相同；T″i+1为将第i+1个弯折圆片旋转 角度θmin后，第i+1个弯折圆片下表面与下颌骨表面的第二接触点；C″i+1、
Figure BDA00022372774000000710
为第i+1 个弯折圆片在旋转角度θmin后的位置与姿态矢量；
图9为本发明实施例中钛合金亚冠固定板在加工时，定夹头与动夹头的示意图；
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了 详细的实施方式和具体的操作过程，以下颌骨为例对本发明的技术方案作进一步解释说明。
本实施例提供的钛合金医用内固定板的塑形方法，包括以下步骤：
步骤1，获取下颌骨对应的未弯曲钛合金初始形态以及目标患者已有的下颌骨三维虚拟 模型。
如图1、2所示的下颌骨对应的未弯曲钛合金初始形状图，为已知的标准形状，图中的标 号1-22分别表示第1至22个弯折圆片；图3、4所示为目标患者在计算机虚拟环境中已有的、 数据格式为STL的下颌骨三维虚拟模型，具体在本实施例是目标患者之前通过CT扫描其下颌 骨获得的数字化三维形态，当然其他实施例中也可以是通过CBCT、MRI等其他采样手段获取 得到的数字化三维形态。
步骤2，在虚拟环境中模拟出与下颌骨三维虚拟模型贴合的虚拟内固定板的弯折形状， 具体步骤如下：
步骤2.1，在下颌骨三维虚拟模型上选择贴合初始点P1，将虚拟内固定板的第1个弯折圆 片在贴合初始点P1附近与下颌骨三维虚拟模型进行最佳虚拟贴合，得到第1个弯折圆片在最 佳虚拟贴合时的位置，将该位置作为最佳弯折位置；
本实施例中定义，若弯折圆片与下颌骨三维虚拟模型表面之间存在2个及以上接触点， 则认为该弯折圆片与下颌骨三维虚拟模型贴合；仅当无法获得2个及以上接触点时，以1个 接触点作为弯折圆片与下颌骨三维虚拟模型贴合的标志；考虑到极端情况，如无法找到1个 接触点，则抛出错误提示，要求用户重新在下颌骨三维虚拟模型上指定点Pi。因此，本发明 定义最佳虚拟贴合是指弯折圆片与下颌骨三维虚拟模型之间至少存在1个接触点。
其中，该步骤2.1得到的最佳弯折位置包括获得该弯折圆片在最佳弯折位置时的圆心及 姿态向量，即该弯折圆片在最佳弯折位置时的空间特征信息；且对第1个弯折圆片在贴合初 始点P1附近与下颌骨三维虚拟模型进行最佳虚拟贴合的方法具体为：
步骤2.1.1，根据贴合初始点P1与下颌骨三维虚拟模型的表面信息，确定与贴合初始点P1切平面垂直的法向量
Figure BDA0002237277400000081
如图5所示；
步骤2.1.2，在法向量
Figure BDA0002237277400000082
的正方向上取一点Cinit，并设第1个弯折圆片的圆心位于点Cinit， 且第1个弯折圆片的法向量
Figure BDA0002237277400000083
具体点Cinit在初始可取其位置满足|P1Cinit|＝H，在本 实施例中取H＝1cm；
步骤2.1.3，以点Cinit为起点，以向量
Figure BDA0002237277400000084
为方向，以△h为步长，平移虚拟内固定板，计 算新平移位置下的圆心C'1、法向量
Figure BDA0002237277400000085
在本实施例中取△h＝0.02mm；
步骤2.1.4，判断下颌骨三维虚拟模型是否至少有1个点与第1个弯折圆片接触：若没有， 则赋值Cinit＝C'1、
Figure BDA0002237277400000086
返回步骤2.1.3；若有，则令当前步骤得到的接触点为第一接 触点T1′，此时执行步骤2.1.5；
步骤2.1.5，以步骤2.1.4得到的其中1个第一接触点T1′为原点，如图6所示，定义矢量
Figure RE-GDA0002392511770000091
定义矢量
Figure RE-GDA0002392511770000092
矢量
Figure RE-GDA0002392511770000093
满足与
Figure RE-GDA0002392511770000094
和
Figure RE-GDA0002392511770000095
均垂直；下颌骨三维虚拟模型表面每个可 碰撞点T0与第一接触点T1′形成直线，求解该直线与
Figure RE-GDA0002392511770000096
所在平面的夹角θ，其中最小夹 角θmin所对应的点即为下颌骨三维虚拟模型与第1个弯折圆片之间的第二接触点T1″；将弯折 圆片绕第一接触点T1′旋转角度θmin，旋转的方向要求使T1″在第1个弯折圆片上的投影与其本 身重合，并计算新旋转位置下的圆心C1″和姿态向量：
Figure RE-GDA0002392511770000097
步骤2.1.5中下颌骨三维虚拟模型表面的可碰撞点T0是指，下颌骨三维虚拟模型表面上其 坐标位置与点C'1之间的距离满足以下条件的点：
Figure BDA0002237277400000099
D0表示弯折圆片的 弯折孔孔径，D1表示弯折圆片的外径；
步骤2.1.6，若通过步骤2.1.5找到第二接触点T1″，则将当前位置下的C″1、
Figure BDA00022372774000000910
作为第1个弯折圆片的空间特征信息；若通过步骤2.1.5未能找到第二接触点T1″，则将当前 位置下的C'1、
Figure BDA00022372774000000911
作为第1个弯折圆片的空间特征信息；此时第1个弯折圆片与 下颌骨三维虚拟模型之间为最佳虚拟贴合。
步骤2.2，令i＝1；
步骤2.3，在下颌骨三维虚拟模型上指定点Pi+1作为虚拟内固定板第i+1个弯折圆片的拟 弯折方向；
步骤2.4，利用第i个弯折圆片的最佳弯折位置和下颌骨三维虚拟模型上的指定点Pi+1， 求解虚拟内固定板的第i+1个弯折圆片的最佳弯折位置；若第i+1个弯折圆片与下颌骨三维 虚拟模型之间没有接触点，则提示重新指定点Pi+1，并返回执行步骤2.3；
其中，求解虚拟内固定板的第i+1个弯折圆片的最佳弯折位置的方法为：
步骤2.4.1，获取第i个弯折圆片的最佳弯折位置，即第i个弯折圆片的圆心C″i及其姿态 向量：
Figure BDA00022372774000000912
分别作为第i个弯折圆片已知的圆心Ci及其姿态向量：
Figure BDA00022372774000000913
如图7所示；
步骤2.4.2，在第i个弯折圆片下表面所在平面Plane1上求解点P′i+1，使点P′i+1满足：
Figure BDA0002237277400000101
且第i+1个弯折孔的圆心Ci+1位于直线Pi+1Ci在平面Plane1的投影直线上；定义 矢量
Figure BDA0002237277400000102
步骤2.4.3，下颌骨三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片的可触碰点与圆心Ci形成直 线，求解该直线与
Figure BDA0002237277400000103
所在平面的夹角α，取最小夹角αmin所对应的可触碰点作为下颌骨 三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片之间的第一接触点T′i+1；
在本实施例中，夹角α的求解方法为：将下颌骨三维虚拟模型所在坐标系默认为全局坐 标系，且下颌骨三维虚拟模型表面各点在全局坐标系中的坐标信息，为简化夹角α的求解过 程，本实施例以圆心Ci为坐标系原点，
Figure BDA0002237277400000104
分别为坐标轴建立局部空间直角坐标系， 则可根据圆心Ci以及三个坐标轴
Figure BDA0002237277400000105
所对应的单位向量，计算将局部空间直角坐标 系与全局坐标系之间相互转换的参数，然后利用该坐标系转换参数，通过初等解析几何求解 全局坐标系中下颌骨三维虚拟模型表面各点与圆心Ci形成的直线，与局部空间直角坐标系中
Figure BDA0002237277400000106
所在平面之间的夹角，因此即可求解夹角α。
其中，局部空间直角坐标系与全局坐标系之间的转换具体可采用七参数转换法，转换公 式为：
Figure BDA0002237277400000107
利用两个坐标系坐标均已知的圆心Ci以及三个坐标轴
Figure BDA0002237277400000108
所对应的单位向量， 即可求解上述转换公式中的参数X0、Y0、Z0、γX、γy、γz；又由于局部空间直角坐标系与全 局坐标系之间不涉及比例变换，因此m＝0。
步骤2.4.4，将第i+1个弯折圆片绕Ci旋转角度αmin，旋转的方向要求使旋转后T′i+1在第 i+1个弯折圆片上的投影与其本身重合，得到第i+1个弯折圆片在当前旋转位置时的圆心C′i+1和法向量
Figure BDA0002237277400000111
及矢量
Figure BDA0002237277400000112
步骤2.4.5，以下颌骨三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片的其中1个第一接触点T′i+1为 原点，如图8所示，定义矢量
Figure BDA0002237277400000113
且矢量
Figure BDA0002237277400000114
满足与
Figure BDA0002237277400000115
和
Figure BDA0002237277400000116
同时垂直；下颌骨三维虚拟 模型表面与第i+1个弯折圆片的可碰撞点T0，与第一接触点T′i+1形成直线，求解该直线与
Figure BDA0002237277400000117
所在平面的的夹角θ，其中最小夹角θmin所对应的可碰撞点即为下颌骨三维虚拟模 型与第i+1个弯折圆片之间的第二接触点T″i+1；将第i+1个弯折圆片绕第一接触点T′i+1旋转角 度θmin，旋转的方向要求T″i+1在第i+1个弯折圆片上的投影与其本身重合，此时圆片将同时与 第一接触点和第二接触点相切。计算第i+1个弯折圆片在此新旋转位置下的圆心C″i+1和姿态 矢量：
Figure BDA0002237277400000118
其中，下颌骨三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片之间的可碰撞点T0，是指下颌骨三 维虚拟模型表面满足以下任一条件的点：
Figure BDA0002237277400000119
Figure BDA00022372774000001110
其中，Ci表示第i个弯折圆片的圆心初始位置，D0表示弯折圆片的弯折孔孔径，D1表示 弯折圆片的外径；
步骤2.4.6，若通过步骤2.4.5找到第二接触点T″i+1，则将当前位置下的C″i+1、
Figure BDA00022372774000001111
Figure BDA00022372774000001112
作为第i+1个弯折圆片的空间特征信息；若通过步骤2.1.5未能找到第二接触点T″i+1，则 将当前位置下的C′i+1、
Figure BDA00022372774000001113
作为第i+1个弯折圆片的空间特征信息。此时第i+1 个弯折圆片与下颌骨三维虚拟模型之间为最佳虚拟贴合。
本实施例在保证每个弯折圆片至少有1个接触点与颌骨三维虚拟模型相切的情况下，尽 量找到第2个接触点，使弯折圆片与颌骨三维虚拟模型之间有更多的接触点，从而从虚拟内 固定板与颌骨三维虚拟模型更贴合，进而使最终实际弯曲的钛合金内固定板与目标患者的颌 骨更贴合，即贴合精度更高。
步骤2.5，令i＝i+1，返回步骤2.3，直到求解得到虚拟内固定板上所有弯折圆片的最佳 弯折位置。
步骤3，提取步骤2得到的虚拟内固定板弯折形状的空间特征信息，并利用得到的空间 特征信息驱动弯曲机构的夹头对钛合金内固定板标准件实体进行实际弯曲，得到可用于目标 患者的钛合金医用内固定板。
在步骤2对虚拟内固定板弯折形状的空间特征信息，在本实施例中包括所有22个弯折圆 片在最佳弯折位置的空间特征信息
Figure BDA0002237277400000121
i＝1,2,…,22，然后即可利用该空间特征信 息将未弯曲的钛合金内固定标准件实体放置于专用的钛合金内固定板弯曲机构上进行自动弯 曲。
在弯曲加工时，如图9所示，专用弯曲装置由两个夹头组成，分别为定夹头与动夹头。 在未进行弯曲操作时，定夹头固定于钛合金条的第i个孔位处，动夹头固定于钛合金条的第 i-1个孔位处。当开始弯曲时，定夹头端固定不动，而动夹头端由电机带动绕定夹头端进行 旋转和移动以对钛合金第i-1端产生弯曲变形，其具体旋转的角度由以下方法确定：
令第i个弯折圆片的空间特征信息为
Figure BDA0002237277400000122
第i-1个弯折圆片的空间特征信息 为
Figure BDA0002237277400000123
根据
Figure BDA0002237277400000124
建立新的相对坐标系，将第i-1个弯折圆片的空 间特征信息
Figure BDA0002237277400000125
转换到新的相对坐标系下为：
Figure BDA0002237277400000126
则可控 制动夹头的各自由度对应电机在旋转弯曲时将旋转角度与夹头位置运动至新计算得到的
Figure BDA0002237277400000127
位置，由此可获得精确的弯折加工精度。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种 变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保 护的范围之内。

Claims (4)

1.一种钛合金医用内固定板的塑形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取目标患者已有的骨组织三维虚拟模型；
步骤2，在虚拟环境中模拟出与骨组织三维虚拟模型贴合的虚拟内固定板的弯折形状；
步骤3，提取步骤2得到的虚拟内固定板弯折形状的空间特征信息，并利用得到的空间特征信息驱动弯曲机构的夹头对钛合金内固定板标准件实体进行实际弯曲，得到可用于目标患者的钛合金医用内固定板；
步骤2中模拟虚拟内固定板的弯折形状的方法为：
步骤2.1，在骨组织三维虚拟模型上选择贴合初始点P1，将虚拟内固定板的第1个弯折圆片在贴合初始点P1附近与骨组织三维虚拟模型进行最佳虚拟贴合，得到第1个弯折圆片在最佳虚拟贴合时的位置，将该位置作为最佳弯折位置；
其中，最佳虚拟贴合是指弯折圆片与骨组织三维虚拟模型之间至少存在1个接触点，且弯折圆片的最佳弯折位置包括该弯折圆片当前的圆心及姿态向量；
步骤2.2，令i＝1；
步骤2.3，在骨组织三维虚拟模型上指定点Pi+1作为虚拟内固定板第i+1个弯折圆片的拟弯折方向；
步骤2.4，利用第i个弯折圆片的最佳弯折位置和骨组织三维虚拟模型上的指定点Pi+1，求解虚拟内固定板的第i+1个弯折圆片的最佳弯折位置；
若第i+1个弯折圆片与骨组织三维虚拟模型之间没有接触点，则提示重新指定点Pi+1，并返回执行步骤2.3；
步骤2.5，令i＝i+1，返回步骤2.3，直到求解得到虚拟内固定板上所有弯折圆片的最佳弯折位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2.1中对第1个弯折圆片在贴合初始点P1附近与骨组织三维虚拟模型进行最佳虚拟贴合的方法为：
步骤2.1.1，根据贴合初始点P1与骨组织三维虚拟模型的表面信息，确定与贴合初始点P1切平面垂直的法向量
Figure FDA0003005723970000011
步骤2.1.2，在法向量
Figure FDA0003005723970000021
的正方向上取一点Cinit，并设第1个弯折圆片的圆心位于点Cinit，且第1个弯折圆片的法向量
Figure FDA0003005723970000022
步骤2.1.3，以点Cinit为起点，以向量
Figure FDA0003005723970000023
为方向，以Δh为步长，平移虚拟内固定板，计算新平移位置下的圆心C'1、法向量
Figure FDA0003005723970000024
步骤2.1.4，判断骨组织三维虚拟模型是否至少有1个点与第1个弯折圆片接触：若没有，则赋值Cinit＝C'1、
Figure FDA0003005723970000025
返回步骤2.1.3；若有，则令当前步骤得到的接触点为第一接触点T1′，此时执行步骤2.1.5；
步骤2.1.5，以步骤2.1.4得到的其中1个第一接触点T1′为原点，定义矢量
Figure FDA0003005723970000026
定义矢量
Figure FDA0003005723970000027
且矢量
Figure FDA0003005723970000028
满足与
Figure FDA0003005723970000029
和
Figure FDA00030057239700000210
均垂直；骨组织三维虚拟模型表面每个可碰撞点T0与第一接触点T1′形成直线，求解该直线与
Figure FDA00030057239700000211
所在平面的夹角θ，其中最小夹角θmin所对应的点即为骨组织三维虚拟模型与第1个弯折圆片之间的第二接触点T1″；将弯折圆片绕第一接触点T1′旋转角度θmin，旋转的方向要求使T1″在第1个弯折圆片上的投影与其本身重合，并计算新旋转位置下的圆心C″1和姿态向量：
Figure FDA00030057239700000212
步骤2.1.5中骨组织三维虚拟模型表面的可碰撞点T0是指，骨组织三维虚拟模型表面上其坐标位置与点C'1之间的距离满足以下条件的点：
Figure FDA00030057239700000213
D0表示弯折圆片的弯折孔孔径，D1表示弯折圆片的外径；
步骤2.1.6，若通过步骤2.1.5找到第二接触点T1″，则将当前位置下的C″1、
Figure FDA00030057239700000214
作为第1个弯折圆片的空间特征信息；若通过步骤2.1.5未能找到第二接触点T1″，则将当前位置下的C'1、
Figure FDA00030057239700000215
作为第1个弯折圆片的空间特征信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2.4中求解虚拟内固定板的第i+1个弯折圆片的最佳弯折位置的方法为：
步骤2.4.1，获取第i个弯折圆片的最佳弯折位置，即第i个弯折圆片的圆心C″i及其姿态向量：
Figure FDA00030057239700000216
分别作为第i个弯折圆片已知的圆心Ci及其姿态向量：
Figure FDA00030057239700000217
步骤2.4.2，在第i个弯折圆片下表面所在平面Plane1上求解点P′i+1，使点P′i+1满足：
Figure FDA0003005723970000031
且第i+1个弯折孔的圆心Ci+1位于直线Pi+1Ci在平面Plane1的投影直线上；定义矢量
Figure FDA0003005723970000032
M0为钛合金固定板在未产生弯折前第i个弯折圆片的圆心Ci与第i+1个弯折圆片的圆心Ci+1之间的距离；
步骤2.4.3，骨组织三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片的可触碰点与圆心Ci形成直线，求解该直线与
Figure FDA0003005723970000033
所在平面的夹角α，取最小夹角αmin所对应的可触碰点作为骨组织三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片之间的第一接触点T′i+1；
步骤2.4.4，将第i+1个弯折圆片绕圆心Ci旋转角度αmin，旋转的方向要求使旋转后的T′i+1在第i+1个弯折圆片上的投影与其本身重合，得到第i+1个弯折圆片在当前旋转位置时的圆心C′i+1和法向量
Figure FDA0003005723970000034
及矢量
Figure FDA0003005723970000035
步骤2.4.5，以骨组织三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片的其中1个第一接触点T′i+1为原点，定义矢量
Figure FDA0003005723970000036
且矢量
Figure FDA0003005723970000037
满足与
Figure FDA0003005723970000038
和
Figure FDA0003005723970000039
同时垂直；骨组织三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片的可碰撞点T0，与第一接触点T′i+1形成直线，求解该直线与
Figure FDA00030057239700000310
所在平面的的夹角θ，其中最小夹角θmin所对应的可碰撞点即为骨组织三维虚拟模型与第i+1个弯折圆片之间的第二接触点T″i+1；将第i+1个弯折圆片绕第一接触点T′i+1旋转角度θmin，旋转的方向要求使T″i+1在第i+1个弯折圆片上的投影与其本身重合，此时圆片将同时与第一接触点和第二接触点相切；计算第i+1个弯折圆片在此新旋转位置下的圆心C″i+1和姿态矢量：
Figure FDA00030057239700000311
Figure FDA00030057239700000312
其中，骨组织三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片之间的可碰撞点T0，是指骨组织三维虚拟模型表面满足以下任一条件的点：
Figure FDA00030057239700000313
Figure FDA00030057239700000314
其中，Ci表示第i个弯折圆片的圆心初始位置，D0表示弯折圆片的弯折孔孔径，D1表示弯折圆片的外径；
步骤2.4.6，若通过步骤2.4.5找到第二接触点T″i+1，则将当前位置下的C″i+1、
Figure FDA0003005723970000041
Figure FDA0003005723970000042
作为第i+1个弯折圆片的空间特征信息；若通过步骤2.1.5未能找到第二接触点T″i+1，则将当前位置下的C′i+1、
Figure FDA0003005723970000043
作为第i+1个弯折圆片的空间特征信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述已有的骨组织三维虚拟模型，是通过扫描目标患者的目标骨组织部位得到的数字化形态。
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