CN111265351B - 一种个性化3d打印脊柱侧弯矫形器的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法,包括以下步骤：先获取患者的侧弯脊柱并进行三维建模，得到侧弯脊柱模型和软组织模型，然后基于患者躯干的二维截面轮廓曲线绘制矫形器的截面轮廓曲线；再对截面轮廓曲线进行放样操作和向外拉伸得到矫形器模型；再对矫形器模型进行密度分布优化后得到矫形器密度分布图；基于矫形器密度分布图对矫形器模型进行减重设计和背部开口，得矫形器模型；最后将矫形器模型、脊柱模型和软组织模型一同导入有限元软件中进行有限元生物力学仿真评价，评价不好的矫形器模型重新绘制，评价良好的H矫形器模型作为最终模型。本发明具有制作要求低、矫形效果的一致性高和舒适性好的特点。

Description

一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法
技术领域
本发明涉及一种脊柱侧弯矫形器的设计方法，特别是一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法。
背景技术
脊柱侧弯是一种常见的脊柱畸形疾病，其临床表现为脊柱在冠状面上向侧方弯曲，常伴有矢状面的异常及轴向旋转畸形。国际脊柱侧弯学会规定，在冠状面，Cobb角大于10度即可认定为脊柱侧弯。目前对治疗脊柱侧弯的治疗方法主要分为观察法、矫形器治疗和手术治疗。其中观察法主要用于轻度脊柱侧弯患者(Cobb角<20度)，矫形器治疗主要用于轻、中度的脊柱侧弯患者(Cobb角在20度到45度)，而手术治疗主要用于重度脊柱侧弯患者(Cobb角>45度)以及矫形器治疗失败的患者；但由于手术治疗法存在创伤大，风险高的问题，并常伴有严重并发症，往往会给患者带来巨大痛苦。因此，对于脊柱侧弯患者，在侧弯发展到重度之前应采用矫形器进行治疗。
矫形器是目前被认为唯一有效的治疗早期脊柱侧弯的非手术治疗手段。常规的脊柱侧弯矫形器是标准化产品，由产家生产不同尺寸的型号，患者根据自己的脊柱形状选择合适的型号进行配戴。但这种批量生产的标准化矫形器仅适用于70％的脊柱侧弯患者，而对于剩余的脊柱侧弯患者则需要根据其脊柱形状设计个性化的脊柱侧弯矫形器。现有的个性化脊柱侧弯矫形器制作方法通常利用石膏成型法制造出患者的石膏模型，再手工对石膏模型进行修型，最后采用真空低压成形制造矫形器。这种制作方法需要采用手动修型的方式实现脊柱矫正，从而使矫正效果往往依赖于技师的经验，并存在费时费力的问题。此外，该矫形器因设计和加工制造工艺的限制还会存在透气性差的问题，并使用户在穿戴后会造成影响呼吸的情况，从而导致用户的依从性下降，从另一方面降低了矫形器的治疗效果。因此，现有对脊柱侧弯矫形器的设计方法存在制作要求高、矫形效果好坏不一和舒适性差的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法。它具有制作要求低、矫形效果的一致性高和舒适性好的特点。
本发明的技术方案：一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，包括以下步骤：
①获取脊柱侧弯患者的CT断层图像数据，并完成三维建模，获得患者的侧弯脊柱三维几何模型和软组织三维几何模型，得A脊柱模型和B软组织模型；
②基于脊柱侧弯患者躯干的二维截面轮廓曲线绘制矫形器的截面轮廓曲线，得C截面轮廓曲线；
③对C截面轮廓曲线进行放样操作，得到D矫形器曲面模型；
④将D矫形器曲面模型向外拉伸，得到E矫形器模型；
⑤基于骨重建理论，通过有限元方法对E矫形器模型进行密度分布优化，得到F矫形器密度分布图；
⑥基于F矫形器密度分布图和矫形器三点压力矫形原理，对E矫形器模型进行减重设计，得G矫形器模型；
⑦对G矫形器模型进行背部开口，并在开口两侧开设用于安装矫形器束带的矩形孔，得H矫形器模型；
⑧将H矫形器模型、A脊柱模型和B软组织模型一同导入有限元软件中进行有限元生物力学仿真评价，对于评价不好的H矫形器模型，返回步骤②中重新绘制，对于评价良好的H矫形器模型，作为最终模型通过3D打印得到成品矫形器。
前述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法中，所述步骤②中脊柱侧弯患者躯干的二维截面轮廓曲线包括骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线和脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线。
前述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法中，所述骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线为三条，所述脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线为十三条。
前述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法中，所述骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的绘制方法是在B软组织模型上作三个等距且平行于水平面的绘制平面，该绘制平面与骨盆区域处的B软组织模型相交且平分该区域，绘制平面和骨盆区域处的B软组织模型在相交位置的曲线为骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线；所述脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的绘制方法是在第五胸椎到第五腰椎之间的十三节椎体的中心作平行于水平面的十三个平面，该十三个平面与B软组织模型在相交后形成十三条相交曲线，然后对十三条相交曲线进行平移和旋转后得到脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线。
前述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法中，所述相交曲线的具体平移方法是在该相交曲线的所在截面中，以椎体中心和该截面的交点为起点，以骶骨中垂线与该截面的交点为终点，将相交曲线从起点平移至终点；所述相交曲线的具体旋转方法是将相交曲线以骶骨中垂线作为中心线进行旋转，旋转角度为相交曲线在背部最后缘两点连线与两侧髂后上棘连线间的夹角。
前述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法中，所述步骤⑧中的H矫形器模型在返回步骤②中重新绘制时，对相交曲线的旋转角度和平移幅度进行调整，调整过程中保持相交曲线的平移方向不变。
前述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法中，所述步骤④中D矫形器曲面模型的向外拉伸距离为4～8mm。
前述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法中，所述步骤⑥中E矫形器模型的具体减重方法为：
(6.1)基于矫形器三点压力矫形原理，对E矫形器模型在侧弯脊柱凹侧顶椎区域开设大孔作为应力释放区，并基于F矫形器密度分布图对E矫形器模型在侧弯脊柱凸侧腋下区域和骨盆区域部分去除，同时保留E矫形器模型在侧弯脊柱凸侧顶椎区域部分，得e1矫形器模型；
(6.2)基于F矫形器密度分布图，对e1矫形器模型在低密度区开设小孔，该低密度区为密度小于e1矫形器模型平均密度五分之一的区域，得G矫形器模型。
前述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法中，所述步骤⑧中的评价方法以软组织应力和Cobb角矫正量作为评价指标，当Cobb角矫正量低于百分之十或软组织应力超过安全范围时，认为评价不好。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明以脊柱侧弯患者躯干的二维截面轮廓曲线作为基准，通过平移和旋转操作得到矫形器的截面轮廓曲线，并将该曲线经放样和拉伸后形成矫形器模型，使矫形器的设计参数能够量化，设计精确性得到提高，相比传统手工修型的方式能够有效提高矫形器的设计精准度和矫形效果的一致性；同时矫形器在设计时也能够极大的缩小人为设计水平对矫形器最终构造产生的影响，降低对矫形器的制作要求；
(2)矫形器在设计时，以检测到的软组织三维几何模型作为矫形器模型的设计基础，能够使设计得到的矫形器更加贴近患者的生理构成，即矫形器在实际配戴过程中能够与软组织更加贴合，减少制作误差造成的中空或勒紧部位，提高矫形器的配戴舒适性；
(3)在基于矫形器密度分布图和矫形器三点压力矫形原理下，通过对矫形器的减重设计，可以使矫形器在凸侧腋下区域和骨盆区域处形成应力释放区，从而使矫形器更加符合矫形原理，并提高患者在在侧弯脊柱凹侧顶椎区域处的配戴舒适性；通过对矫形器的低密度区开设小孔，则能够在保证矫形器受力强度的条件下提高其透气性能，进一步提高了患者的配戴舒适性；
(4)本发明以矫形器的设计复杂度、配戴舒适性以及矫形效果为基准，通过将骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线设置为三条，脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线为十三条，可以将矫形器在舒适性和矫形效果上产生的效益达到最佳，从而本发明的矫形器在使用时具有良好的一致性；
所以，本发明具有制作要求低、矫形效果的一致性高和舒适性好的特点。
附图说明
图1是本发明的设计流程图；
图2是软组织三维几何模型的结构示意图；
图3是侧弯脊柱三维几何模型的结构示意图；
图4是本发明的矫形器的二维截面轮廓曲线分布图；
图5是脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的平移设计图；
图6是脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的旋转设计图；
图7是本发明E矫形器模型的结构示意图；
图8是本发明的矫形器密度分布图；
图9是本发明e1矫形器模型的结构示意图；
图10是本发明H矫形器模型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，包括以下步骤：
①获取脊柱侧弯患者的CT断层图像数据，并完成三维建模，获得患者的侧弯脊柱三维几何模型和软组织三维几何模型，得A脊柱模型和B软组织模型；
②基于脊柱侧弯患者躯干的二维截面轮廓曲线绘制矫形器的截面轮廓曲线，得C截面轮廓曲线；
③对C截面轮廓曲线进行放样操作，得到D矫形器曲面模型；
④将D矫形器曲面模型向外拉伸，得到E矫形器模型；
⑤基于骨重建理论，通过有限元方法对E矫形器模型进行密度分布优化，得到F矫形器密度分布图；
⑥基于F矫形器密度分布图和矫形器三点压力矫形原理，对E矫形器模型进行减重设计，得G矫形器模型；
⑦对G矫形器模型进行背部开口，并在开口两侧开设用于安装矫形器束带的矩形孔，得H矫形器模型；
⑧将H矫形器模型、A脊柱模型和B软组织模型一同导入有限元软件中进行有限元生物力学仿真评价，对于评价不好的H矫形器模型，返回步骤②中重新绘制，对于评价良好的H矫形器模型，作为最终模型通过3D打印得到成品矫形器。
所述步骤②中脊柱侧弯患者躯干的二维截面轮廓曲线包括骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线和脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线。
所述骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线为三条，所述脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线为十三条。
所述骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的绘制方法是在B软组织模型上作三个等距且平行于水平面的绘制平面，该绘制平面与骨盆区域处的B软组织模型相交且平分该区域，绘制平面和骨盆区域处的B软组织模型在相交位置的曲线为骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线；所述脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的绘制方法是在第五胸椎T5到第五腰椎L5之间的十三节椎体的中心作平行于水平面的十三个平面，该十三个平面与B软组织模型在相交后形成十三条相交曲线，然后对十三条相交曲线进行平移和旋转后得到脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线。
所述相交曲线的具体平移方法是在该相交曲线的所在截面中，以椎体中心和该截面的交点为起点，以骶骨中垂线与该截面的交点为终点，将相交曲线从起点平移至终点；所述相交曲线的具体旋转方法是将相交曲线以骶骨中垂线作为中心线进行旋转，旋转角度为相交曲线在背部最后缘两点(背部两侧的后缘点)连线与两侧髂后上棘连线间的夹角。
所述步骤⑧中的H矫形器模型在返回步骤②中重新绘制时，对相交曲线的旋转角度和平移幅度进行调整，调整过程中保持相交曲线的平移方向不变。
所述步骤④中D矫形器曲面模型的向外拉伸距离为4～8mm。
所述步骤⑥中E矫形器模型的具体减重方法为：
(6.1)基于矫形器三点压力矫形原理，对E矫形器模型在侧弯脊柱凹侧顶椎区域开设大孔作为应力释放区，并基于F矫形器密度分布图对E矫形器模型在侧弯脊柱凸侧腋下区域和骨盆区域部分去除，同时保留E矫形器模型在侧弯脊柱凸侧顶椎区域部分，得e1矫形器模型；
(6.2)基于F矫形器密度分布图，对e1矫形器模型在低密度区开设小孔，该低密度区为密度小于e1矫形器模型平均密度五分之一的区域，得G矫形器模型。
所述步骤⑧中的评价方法以软组织应力和Cobb角矫正量作为评价指标，当Cobb角矫正量低于百分之十或软组织应力超过安全范围时，认为评价不好；该安全范围为对患者进行测试得到的痛阈值。
实施例2。一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的具体设计方法，设计流程如图1所示，包括以下步骤：
①获取脊柱侧弯患者的CT断层图像数据，并完成三维建模，具体方法为对患者躯干进行CT扫描，CT扫描时的层厚设置为0.63mm，分辨率为0.39mm*0.39mm，每层图像的大小为512*512像素；然后将扫描得到的数据导入Mimics等医学图像处理软件中，采用手工分割方法分割出每张CT片上的椎骨、肋骨、胸骨、盆骨和软组织，再利用体绘制方法重建出患者的侧弯脊柱三维几何模型和软组织三维几何模型，得A脊柱模型和B软组织模型，A脊柱模型的结构如图3所示，B软组织模型的结构如图2所示；
②基于脊柱侧弯患者躯干的二维截面轮廓曲线绘制矫形器的截面轮廓曲线，截面轮廓曲线由三条骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线和十三条脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线构成；
其中骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的绘制方法为：将A脊柱模型和B软组织模型分别导入Solidworks等计算机辅助设计软件中，并在计算机辅助设计软件中做三个等距且平行于水平面的绘制平面，该绘制平面与骨盆区域处的B软组织模型相交且平分该区域，绘制平面和骨盆区域处的B软组织模型在相交位置的曲线为骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线，骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的分布方式如图4中e区域所示；
脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的绘制方法为：在设计软件中对第五胸椎T5到第五腰椎L5之间的十三节椎体的中心作平行于水平面的十三个平面，该十三个平面与B软组织模型在相交后形成十三条相交曲线，然后对十三条相交曲线进行平移和旋转后得到脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线，脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的分布方式如图4中d区域所示；
所述十三条相交曲线的具体平移方法，如图5所示，是在该相交曲线的所在截面中，以椎体中心和该截面的交点为起点a，以骶骨中垂线与该截面的交点为终点o，相交曲线的平移向量r的方向由起点a到终点o，图5中的实线为平移前的截面轮廓曲线，虚线为平移后的截面轮廓曲线；
所述十三条相交曲线的具体旋转方法，如图6所示，是将相交曲线以骶骨中垂线o作为中心线进行旋转，旋转角度为相交曲线在背部最后缘两点连线bc(b点和c点分别为躯体截面背部后缘点)与两侧髂后上棘连线L间的夹角θ，图6中的实线为旋转前的截面轮廓曲线，虚线为旋转后的截面轮廓曲线；
获得的三条骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线和十三条脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线为C截面轮廓曲线；
③对C截面轮廓曲线进行放样操作，得到D矫形器曲面模型；
④将D矫形器曲面模型向外拉伸4mm，得到E矫形器模型，E矫形面模型的结构如图7所示；
⑤基于骨重建理论，通过有限元方法对E矫形器模型进行密度分布优化，具体优化方法为将优化后的矫形器看成一块遵从骨重建规律的骨骼，然后采用骨重建方法更新材料的属性，直到平衡后获得矫形器的最佳密度分布，然后根据三点压力矫正原理在矫形器的侧弯脊柱凸侧顶椎处、凹侧骨盆处和腋下处分别施加94N、72N和46N的矫形力，通过有限元软件在ABAQUS中建立有限元模型，施加上述矫形力并进行骨重建仿真，得到优化后的矫形器密度分布图，即F矫形器密度分布图，构成如图8所示，图中h区为侧弯脊柱凸侧腋下区域，i区为骨盆区域，g区为侧弯脊柱凸侧顶椎区域；
⑥基于矫形器三点压力矫形原理，先对E矫形器模型在侧弯脊柱凹侧顶椎区域f开设大孔作为应力释放区，并基于F矫形器密度分布图对E矫形器模型在侧弯脊柱凸侧腋下区域h和骨盆区域部分去除，同时保留E矫形器模型在侧弯脊柱凸侧顶椎区域部分，得e1矫形器模型，e1矫形器模型的结构如图9所示，图中f区为侧弯脊柱凹侧顶椎区域，g区为侧弯脊柱凸侧顶椎区域，h区为侧弯脊柱凸侧腋下区域；
再基于F矫形器密度分布图，对e1矫形器模型在低密度区开设小孔，该低密度区为密度小于e1矫形器模型平均密度五分之一的区域，得G矫形器模型；
⑦对G矫形器模型进行背部开口，并在开口两侧开设用于安装矫形器束带的矩形孔，得H矫形器模型，H矫形器模型的结构如图10所示，图中j孔为用于安装矫形器束带的矩形孔，k孔为开设在低密度区的小孔；
⑧将H矫形器模型、A脊柱模型和B软组织模型一同导入ABAQUS等有限元软件中进行有限元生物力学仿真评价，评价过程中采用四面体网格对几何模型进行网格划分，材料属性设置为均质线弹性，各部件间采用绑定约束；边界条件设置为骨盆底部固定，T1椎体只能在竖直方向移动，约束其水平面自由度；然后沿开孔边缘加载40N拉力，模拟矫形器束带拉紧力；
以软组织应力和Cobb角矫正量作为评价指标，当Cobb角矫正量低于百分之十或软组织应力超过安全范围时(该安全范围为对患者进行测试得到的痛阈值)，认为评价不好；对于评价不好的H矫形器模型，返回步骤②中重新绘制，绘制过程中对十三条相交曲线的旋转角度和平移幅度进行调整，调整时保持相交曲线的平移方向不变；对于评价良好的H矫形器模型，作为最终模型以STL格式输出到3D打印软件中，通过3D打印得到成品矫形器。

Claims (5)

1.一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
①获取脊柱侧弯患者的CT断层图像数据，并完成三维建模，获得患者的侧弯脊柱三维几何模型和软组织三维几何模型，得A脊柱模型和B软组织模型；
②基于脊柱侧弯患者躯干的二维截面轮廓曲线绘制矫形器的截面轮廓曲线，得C截面轮廓曲线；
③对C截面轮廓曲线进行放样操作，得到D矫形器曲面模型；
④将D矫形器曲面模型向外拉伸，得到E矫形器模型；
⑤基于骨重建理论，通过有限元方法对E矫形器模型进行密度分布优化，得到F矫形器密度分布图；
⑥基于F矫形器密度分布图和矫形器三点压力矫形原理，对E矫形器模型进行减重设计，得G矫形器模型；
⑦对G矫形器模型进行背部开口，并在开口两侧开设用于安装矫形器束带的矩形孔，得H矫形器模型；
⑧将H矫形器模型、A脊柱模型和B软组织模型一同导入有限元软件中进行有限元生物力学仿真评价，对于评价不好的H矫形器模型，返回步骤②中重新绘制，对于评价良好的H矫形器模型，作为最终模型通过3D打印得到成品矫形器；
所述步骤②中脊柱侧弯患者躯干的二维截面轮廓曲线包括骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线和脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线；
所述骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线为三条，所述脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线为十三条；
所述骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的绘制方法是在B软组织模型上作三个等距且平行于水平面的绘制平面，该绘制平面与骨盆区域处的B软组织模型相交且平分该区域，绘制平面和骨盆区域处的B软组织模型在相交位置的曲线为骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线；所述脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的绘制方法是在第五胸椎到第五腰椎之间的十三节椎体的中心作平行于水平面的十三个平面，该十三个平面与B软组织模型在相交后形成十三条相交曲线，然后对十三条相交曲线进行平移和旋转后得到脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线；
所述相交曲线的具体平移方法是在该相交曲线的所在截面中，以椎体中心和该截面的交点为起点，以骶骨中垂线与该截面的交点为终点，将相交曲线从起点平移至终点；所述相交曲线的具体旋转方法是将相交曲线以骶骨中垂线作为中心线进行旋转，旋转角度为相交曲线在背部最后缘两点连线与两侧髂后上棘连线间的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，其特征在于：所述步骤⑧中的H矫形器模型在返回步骤②中重新绘制时，对相交曲线的旋转角度和平移幅度进行调整，调整过程中保持相交曲线的平移方向不变。
3.根据权利要求1所述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，其特征在于：所述步骤④中D矫形器曲面模型的向外拉伸距离为4～8mm。
4.根据权利要求1所述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，其特征在于，所述步骤⑥中E矫形器模型的具体减重方法为：
(6.1)基于矫形器三点压力矫形原理，对E矫形器模型在侧弯脊柱凹侧顶椎区域开设大孔作为应力释放区，并对E矫形器模型在侧弯脊柱凸侧腋下区域和骨盆区域部分去除，同时保留E矫形器模型在侧弯脊柱凸侧顶椎区域部分，得e1矫形器模型；
(6.2)基于F矫形器密度分布图，对e1矫形器模型在低密度区开设小孔，该低密度区为密度小于e1矫形器模型平均密度五分之一的区域，得G矫形器模型。
5.根据权利要求1所述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，其特征在于：所述步骤⑧中的评价方法以软组织应力和Cobb角矫正量作为评价指标，当Cobb角矫正量低于百分之十或软组织应力超过安全范围时，认为评价不好。
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