CN112137705B - 一种可变刚度的骨折复位外固定装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种可变刚度的骨折复位外固定装置及其制造方法，包括前固定主体、后固定主体和调节装置；前固定主体和后固定主体对扣固定连接形成中空的圆柱结构，在前固定主体上设置有开口，开口内设置有调节装置；本发明固定器主体由前后两部分块状结构部件组成，块状结构之间有连接柱，通过调节装置调节块状结构实现对固定器的刚度调节，相较于已有的解决方案复位固定效果好，创伤小，而且个性化订制，成本低；同时本发明采用3D打印材料，不同的弹性模量有利于调节装置对整体外固定刚度即实现降低或者增强。

Description

一种可变刚度的骨折复位外固定装置及其制造方法

技术领域

本发明属于骨骼外固定装置技术领域，特别涉及一种可变刚度的骨折复位外固定装置及其制造方法。

背景技术

外固定是一种常见的骨折固定的器械，常见的外固定架主要通过在骨折的近端与远端经皮穿放钢针，再用连接杆与固定夹把裸露在皮肤外的钢针彼此连接起来，构成一个新的空间力学稳定系统来固定骨折；在骨折中应用普遍。

骨折恢复过程中适当的应力刺激对于骨组织的重建和生长有促进作用。根据Perren应变理论，骨折处生长时骨痂的形成需要在生长的不同时间段给断端施加一定量的应力刺激，而且骨折块之间的相对活动可刺激骨痂的形成，加速骨折的恢复。而现有外固定的制造材料大部分是金属材料，金属材料相较于塑料以及碳纤维复合材料来说弹性模量大，刚度大，一般不易变形而导致骨折断端的应力变化小，断端骨折块之间的相对活动少而不利于骨折的恢复。此外，在外固定的构型上，当前已有的大部分外固定都是通过调节连接近端和远端钢针连接杆上固定夹的位置来实现对骨折断端应力的调节。该种调节方式需要多个固定夹上的螺丝同时做出调节响应，应力变化幅度大不利于骨折断端的应力刺激。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变刚度的骨折复位外固定装置及其制造方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可变刚度的骨折复位外固定装置，包括前固定主体、后固定主体和调节装置；前固定主体和后固定主体对扣固定连接形成中空的圆柱结构，在前固定主体上设置有开口，开口内设置有调节装置；

前固定主体和后固定主体均包括若干块状结构和若干连接柱；若干块状结构通过若干连接柱连接形成前固定主体或后固定主体；连接柱的弹性模量小于块状结构的弹性模量；调节装置用于拉伸或挤压块状结构之间的连接柱。

进一步的，前固定主体上设置有上下两个开口，两个开口内均设置有调节装置。

进一步的，调节装置包括圆环块、双头螺柱和内螺纹螺柱；圆环块位于开口的中心处，圆环块的四周设置有若干内螺纹螺柱，与圆环块上内螺纹柱相对应的块状结构上也设置有若干内螺纹螺柱，相对应的两个内螺纹螺柱之间通过双头螺柱螺纹连接。

进一步的，圆环块内部穿入克氏针。

进一步的，前固定主体和后固定主体的连接处的上下端设置有连接块，连接块上设置有螺栓孔，前固定主体和后固定主体通过螺栓固定连接；连接块的位置设置有固定钢针穿孔。

进一步的，一种可变刚度的骨折复位外固定装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，将打入克氏钢针的骨折处进行CT扫描，获得CT数据之后使用医学图像处理软件Mimics软件进行骨折断端模型Mask提取，提取出Mask之后对其进行光顺处理，最后将Mask保存为STP格式的三维模型进行外固定结构造型设计；

步骤2，将步骤1中得到的STP格式三维模型导入进3D雕刻建模工具Geomagic软件当中进行块状结构区域划分；

步骤3，经Geomagic曲面精确之后得到的STP格式文件导入3D造型软件Rhino软件当中使用Grasshopper插件进行块状结构及连接柱的设计；

步骤4，首先将步骤3完成的外固定三维模型转化为STL格式，将此STL文件导入STL文件处理软件Magics软件进行工艺规划，同时添加支撑；然后进入3D打印过程，打印完成后将模型放入水中溶解支撑结构，得到实物外固定装置。

进一步的，步骤2中，外固定器前后两部分结构区域划分方法：

以穿过骨折骨头两端露出不少于3cm的上下两根全克氏针为分界线：将外固定器的壳体划分为前后两部分，处理步骤为：网格检查-锐化处理-精确曲面，曲面精确之后导出为STP格式文件。

进一步的，步骤3中，块状结构设计方法为：

首先，将结构区域通过投影创建UV曲线，并将投影后的UV曲线通过Surface fromplanar curves创建投影平面，并随机分布点；

其次，以随机分布的点为中心进行泰森多边形Voronoi形状随机分布；

再次，对分布好的泰森多边形Voronoi形状进行缩放和拉伸：

1)提取Voronoi形状距离边线等距的中心点位置，将Voronoi形状的边线与中心位置的距离按照初始距离×(80％-90％)进行缩放，得到缩放后的Voronoi形状；

2)将缩放后的图形进行拉伸，拉伸距离范围为0-20mm，再将拉伸出的处于平面位置的“块状结构”投影到步骤2中得到的外固定块状结构设计区域并得到STL格式的计算机三维模型；

3)外固定器后结构区域设计方法同本步骤设计方法一样；

连接柱的设计方法：

将步骤3中获得的Voronoi形状中心点进行连接，将连接好的柱状结构投影到外固定器前结构区域，对连接线进行管状加粗，管状直径设置为2-10mm。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明固定器主体由前后两部分块状结构部件组成，块状结构之间有连接柱，通过调节装置调节块状结构实现对固定器的刚度调节，相较于已有的解决方案复位固定效果好，创伤小，而且个性化订制，成本低；同时本发明采用3D打印材料，不同的弹性模量有利于调节装置对整体外固定刚度即实现降低或者增强。

本发明整体结构简单方便，操作性效果好，操作方便容易，适于推广使用，具有广泛的应用领域和较好的经济效益。

附图说明

图1为本发明轴测图。

图2为本发明结构图。

图3为块状结构区域划分图以及结构设计方法图。

图4为块状结构之间的连接柱设计方法图。

图5为刚度调节结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图5，本发明对患者骨折断端打入钢针之后通过CT扫描数据建立骨折三维数字模型。

根据三维数字模型中钢针位置设计本发明装置。

外固定主体设计为柱连接的块状结构。

外固定前后两部分的上侧和下侧设计有用于连接固定的螺栓孔。

外固定的前部与钢针连接的地方设计有双头螺柱可以对断端应力进行调节。

外固定前部份与钢针相邻的块嵌有内螺纹螺柱，通过双头螺柱与同样嵌有内螺纹螺柱与钢针紧密接触的圆环块通过用反牙双头螺柱连接。

图1为主体部分，固定器主体由前后两部分块状结构部件组成，块状结构之间有连接柱。骨折患者在佩戴外固定器之前先经皮打入克氏针，外固定器依据经皮打入克氏针之后的患者肢体三维模型设计而成。块状结构之间的连接柱和块状结构使用不同弹性模量的3D打印材料打印而成，连接柱使用的打印材料弹性模量小于块状结构使用材料的弹性模量。

对骨折块的自动复位：外固定器在经皮打入克氏针之后的患者肢体三维模型基础上在电脑端对骨折进行了数字复位，在复位之后设计了前后两部分块状结构部件，在患者佩戴打印成型的外固定器之后即实现对骨折断端的自动复位和固定。

变刚度功能的实现：患者在穿戴外固定之后，由于块状结构之间的连接柱与块状结构的材料弹性模量不同，因此通过对图2中5所指的双头螺柱进行转动后，整体外固定刚度即实现降低或者增强。而外固定通过图2中与双头螺柱和钢针紧密接触的圆环块与经皮打入人体的克氏针相连接，因此实现对骨折断端的刚度变化调节，从而实现对骨折愈合的干预。

设计步骤及方法：

步骤一，首先，将患者经皮打入克氏针的骨折患肢进行CT(Computed Tomography)扫描，获得CT数据之后使用Mimics软件(Materialise,Inc.,Belgium)进行骨折断端Mask提取，提取出Mask之后对其进行光顺处理，最后将Mask保存为STL格式的三维模型进行外固定结构造型设计；

步骤二，将步骤一中得到的需矫形肢体STP格式三维模型导入进Geomagic软件当中进行块状结构区域划分。

外固定器前后两部分结构区域划分方法：

以穿过骨折骨头两端露出不少于3cm的上下两根全克氏针为分界线：将外固定器的壳体划分为前后两部分，如图3(a)所示。处理步骤为：网格检查-锐化处理-精确曲面，曲面精确之后导出为STP格式文件。

步骤三：经Geomagic曲面精确之后得到的STP格式文件导入Rhino软件当中使用Grasshopper插件进行块状结构及连接柱的设计如图3(b)所示；

块状结构设计方法为：

首先，将结构区域通过投影创建UV曲线，并将投影后的UV曲线通过Surface fromplanar curves创建投影平面，并随机分布点，见图3(c)。

其次，以随机分布的点为中心进行Voronoi形状(或Hexagon等其他图形形状)随机分布；

再次，对分布好的Voronoi形状(或Hexagon等其他图形形状)进行缩放和拉伸：

1)提取Voronoi形状(或Hexagon等其他图形形状)距离边线等距的中心点位置，将Voronoi形状(或Hexagon等其他图形形状)的边线与中心位置的距离按照初始距离×(80％-90％)进行缩放，得到缩放后的Voronoi形状(或Hexagon等其他图形形状)，见图3(d)；

2)将缩放后的图形进行拉伸，拉伸距离范围为0-20mm，再将拉伸出的处于平面位置的“块状结构”投影到步骤二中得到的外固定块状结构设计区域并得到STL格式的计算机三维模型，见图3(e)和(f)；

3)外固定器后结构区域设计方法同本步骤设计方法一样。

连接柱的设计方法：

将步骤三中获得的Voronoi形状(或Hexagon等其他图形形状)中心点进行连接，如图4(a)所示，将连接好的柱状结构投影到外固定器前结构区域，对连接线进行管状加粗，管状直径设置为2-10mm。

步骤四，首先将步骤三完成的外固定三维模型转化为STL格式，将此STL文件导入Magics软件进行工艺规划，包括添加支撑等；然后进入3D打印过程。使用Sailner公司的J401 3D打印机进行具有连续梯度的多材料打印，成型方式为多材料UV固化成形。硬质材料采用Siona高性能3D数字聚合物复合材料中的RGD系列硬质不透明材料，软质材料采用FLX系列类橡胶材料，支撑结构采用水溶性支撑材料SUP5100；打印完成后将模型放入水中溶解支撑结构，经处理之后得到实物外固定。

Claims (3)

1.一种可变刚度的骨折复位外固定装置的制造方法，其特征在于，一种可变刚度的骨折复位外固定装置，包括前固定主体、后固定主体和调节装置；前固定主体和后固定主体对扣固定连接形成中空的圆柱结构，在前固定主体上设置有开口，开口内设置有调节装置；

前固定主体和后固定主体均包括若干块状结构(2)和若干连接柱(3)；若干块状结构(2)通过若干连接柱(3)连接形成前固定主体或后固定主体；连接柱(3)的弹性模量小于块状结构(2)的弹性模量；调节装置用于拉伸或挤压块状结构(2)之间的连接柱(3)；

前固定主体上设置有上下两个开口，两个开口内均设置有调节装置；

调节装置包括圆环块(6)、双头螺柱(5)和内螺纹螺柱(7)；圆环块(6)位于开口的中心处，圆环块(6)的四周设置有若干内螺纹螺柱(7)，与圆环块(6)上内螺纹螺柱(7)相对应的块状结构(2)上也设置有若干内螺纹螺柱(7)，相对应的两个内螺纹螺柱(7)之间通过双头螺柱(5)螺纹连接；

圆环块(6)内部穿入克氏针；

前固定主体和后固定主体的连接处的上下端设置有连接块，连接块上设置有螺栓孔，前固定主体和后固定主体通过螺栓固定连接；连接块的位置设置有固定钢针穿孔；

包括以下步骤：

步骤1，将打入克氏钢针的骨折处进行CT扫描，获得CT数据之后使用医学图像处理软件Mimics软件进行骨折断端模型Mask提取，提取出Mask之后对其进行光顺处理，最后将Mask保存为STP格式的三维模型进行外固定结构造型设计；

步骤2，将步骤1中得到的STP格式三维模型导入进3D雕刻建模工具Geomagic软件当中进行块状结构区域划分；

步骤3，经Geomagic曲面精确之后得到的STP格式文件导入3D造型软件Rhino软件当中使用Grasshopper插件进行块状结构及连接柱的设计；

步骤4，首先将步骤3完成的外固定三维模型转化为STL格式，将此STL文件导入STL文件处理软件Magics软件进行工艺规划，同时添加支撑；然后进入3D打印过程，打印完成后将模型放入水中溶解支撑结构，得到实物外固定装置。

2.根据权利要求1所述的一种可变刚度的骨折复位外固定装置的制造方法，其特征在于，步骤2中，外固定装置前后两部分结构区域划分方法：

以穿过骨折骨头两端露出不少于3cm的上下两根全克氏针为分界线：将外固定装置的壳体划分为前后两部分，处理步骤为：网格检查-锐化处理-精确曲面，曲面精确之后导出为STP格式文件。

3.根据权利要求1所述的一种可变刚度的骨折复位外固定装置的制造方法，其特征在于，步骤3中，块状结构设计方法为：

首先，将结构区域通过投影创建UV曲线，通过Rhino软件当中的“Surface fromplanarcurves”命令创建投影平面；并随机分布点；

其次，以随机分布的点为中心进行泰森多边形Voronoi形状随机分布；

再次，对分布好的泰森多边形Voronoi形状进行缩放和拉伸：

1)提取Voronoi形状距离边线等距的中心点位置，将Voronoi形状的边线与中心位置的距离按照初始距离×(80％-90％)进行缩放，得到缩放后的Voronoi形状；

2)将缩放后的图形进行拉伸，拉伸距离范围为0-20mm，再将拉伸出的处于平面位置的“块状结构”投影到步骤2中得到的外固定块状结构设计区域并得到STL格式的计算机三维模型；

3)外固定装置后结构区域设计方法同本步骤设计方法一样；

连接柱的设计方法：

将步骤3中获得的Voronoi形状中心点进行连接，将连接好的柱状结构投影到外固定装置前结构区域，对连接线进行管状加粗，管状直径设置为2-10mm。

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