CN114761241A - 矫形支架的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于患者身体的部位(A)的矫形支架的设计方法(100)；所述方法最初提供确定将要应用矫形支架的身体的部位(A)的步骤(110)；然后提供用于识别通用3D模型(H1)相对于将应用矫形支架的患者身体的部位(A)的步骤(120)；然后提供用于获取患者身体的部位(A)的3D图像(K)的步骤(130)并且提供用于检测部位(A)的生物特征数据(B)的步骤(140)，最后提供通过将通用3D模型(H1)与3D图像(K)合并而对通用3D模型(H1)建模的步骤(150)，从而获得基于患者身体的部位(A)的形态而建模的3D模型。

Description

矫形支架的实现方法

技术领域

本发明专利申请涉及一种矫形支架的设计方法和实现方法。

特别地，本工业发明专利申请的应用领域是用于实现用于在骨折后固定肢体或解剖部位的矫形支架或用于实现植入式内部假体的医学领域。

背景技术

众所周知，肢体骨折通常通过传统的石膏来治疗，以固定已遭受损伤或骨折的患者的肢体或解剖部位。

这样的解决方案对于患者来说不是理想的解决方案，因为应用于受伤或骨折肢体的石膏不防水并且会导致过多的汗水、皮肤刺激和难闻的气味。此外，石膏非常沉重和笨重，阻碍了患者的自由活动，患者无法过上适当的生活方式。

发明家、医生和工程师多年来一直在努力寻找比根据现有技术的石膏更好的解决方案。

另一种解决方案是使用可以在矫形医疗用品商店购买的通用支架。这种通用支架非常昂贵，而且它们并不总是具有功能性并且适用于所有类型的损伤或骨折。

上述传统支架的供应商必须大量储存，以提供各种尺寸以满足不同体型的使用者的需求。

另一种解决方案是实现3D打印的定制支架，这种支架极难实现并且需要很长时间才能生产。更准确地说，所述定制支架用于扫描身体的受伤部位以获得3D图像。随后，设计人员或专业用户使用CAD软件修改这样的3D图像，以获得支架的3D原型。设计者或专业用户对3D图像的修改是一项极其漫长和复杂的操作。显然，如此长的处理时间与非常迫切需要上述支架的患者不兼容。

WO2017127887A1公开了一种生产定制设备的数字模型的方法和系统，包括以下步骤：导入基础部件的第一数字文件；导入目标形状的第二个数字文件；基于与基础部分相关联的源点位置和与目标形状相关联的目标点位置确定翘曲插值函数；将翘曲插值函数应用于所述基础部分的点从而生成所述定制设备的模型。

US2015328016A1公开了一种定制模块化装置和一种用于制造定制装置的方法，该方法包括用参考点和/或其它标记标记身体。然后从多个角度获得身体的多个图像。这些图像用于确定身体的轮廓，而其它标记被定位并用于设计具有对应于身体轮廓的内表面的支架。定制的模块化支架被制造成多个部件，这些部件可拆卸地连接在一起，并随着患者的康复顺序移除。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，公开一种矫形支架的设计方法，用于快速方便地为患者设计矫形支架。

本发明的另一目的在于公开一种矫形支架的实现方法，用于快速、轻松地为患者实现定制矫形支架。

这些目的是根据具有所附独立权利要求1的特征的本发明来实现的。

有利的实施例从从属权利要求中显现。

根据本发明的方法由权利要求1限定。

附图说明

为了清楚起见，继续参照图1对根据本发明的矫形支架的设计方法和实现方法的描述，图1仅具有说明性而非限制性的价值；所述图1是说明根据本发明的矫形支架的实现方法的流程图。

参考图1，公开了根据本发明的矫形支架的设计方法，用附图标记100表示，以及矫形支架的实现方法，用附图标记表示200。

具体实施方式

采用上述设计方法100设计并依次采用实现方法200实现的矫形支架，适用于应用在患者身体的部位A或肢体上，以暂时固定所述身体的部位A从而治愈所述身体的部位A。

矫形支架的设计方法100提供了确定步骤110，其中医生或专业技术人员确定患者身体的部位A，矫形支架将被应用在此。

在确定患者身体的该部位A之后，执行识别步骤120，其中在3D模型数据库中确定支架相对于矫形支架所要应用的患者身体的部位A的通用3D模型H1。

该数据库包含多个通用3D模型H1，每个通用3D模型H1对应于给定的身体的部位A和特定类型的损伤或骨折。

存储在数据库中的通用3D模型H1先前由医生、生物医学工程师、3D建模设计师或专业操作员实现和加载。

优选地，存储在3D模型数据库中的每个通用3D模型H1包括多个基本单元，这些基本单元彼此连接以定义所述通用3D模型H1。通用3D模型H1的基本单元被布置为，定义了相邻基本单元之间的与通用3D模型H1的应力线和断裂线相重合的分隔线。

在识别出对应于患者身体的部位A的通用3D模型H1之后，通过3D图像采集装置执行采集步骤130，从而采集矫形支架所要应用的患者身体的部位A的3D图像K。

优选地，所述采集步骤130通过使用X射线、CT、CAT、核磁共振设备、3D扫描仪、激光扫描仪等的任何成像诊断过程来执行。

或者，所述采集步骤130可以通过一个或多个相机来执行，该相机从不同的视点和不同的角度生成患者身体的部位A的2D照片。

如果通过拍摄由一个相机或多个相机生成的多张2D照片来执行采集步骤，则在这种情况下，必须执行从2D照片重建3D图像的步骤。在重建3D图像的这种步骤中，优选使用称为运动求取结构SFM的摄影测量技术，它是一种计算机视觉技术，用于从2D照片生成3D模型，其中物体从多个视点和不同的旋转角度构图。

用于执行重建3D图像K的所述步骤的这种摄影测量技术提供以下步骤：

-从2D摄影图像中提取特征(关键点)；所述特征是在同一物体的其它二维照片图像中很可能被识别的照片图像的点；例如，所述特征可以是2D摄影图像的角度、角点或锐利的颜色变化；

-匹配每对2D摄影图像中的特征；

-计算每个2D摄影图像的相机位置和摄影参数，从而在3D空间中定位特征，生成点的分散云；

-致密化，其中分散云的密度增加，产生密集云；

-构建插入密集云点的连续表面，生成“网格”，即3D图像K。

这种允许从2D照片重建3D图像K的摄影测量技术比3D扫描技术便宜，并且不需要使用除普通数码相机外的特殊设备。

身体的受伤部位A的3D图像K以数字格式存储为3D模型。

在获取患者身体的部位A并生成3D图像K之后，执行身体的部位A的生物特征数据B的检测步骤140。在检测步骤140中，从患者身体的部位A检测生物特征数据B，例如体积、长度、周长和曲率角。

为了促进所述生物特征数据B的检测步骤140，在检测步骤140之前执行施加步骤135从而将标记T施加到患者身体的部位A的皮肤上或将视觉数字标记T施加到在采集步骤130中获取的3D图像K上。

如果通过3D激光、激光扫描仪或相机执行采集，则在采集步骤130之前将标记T施加在部位A的皮肤上。

为了说明的目的，所述标记T可以是PVC贴纸(具有不同的颜色和形状)。标记用标记的颜色或形状进行编码，从而识别身体的不同部位、肢体的开始或结束、采集方向、受伤点等。

标记T还可用于识别医生或专业技术人员希望在最终矫形支架中具有的孔的位置。

标记也可以预先生成并严格存储在通用3D模型H1的数据库中，作为可用于采集的已知点。

相反，如果3D图像来自X射线、CT、CAT和/或核磁共振设备，专业操作员将直接在获取的3D图像K中引入数字标记T(地标)。在这种情况下，显然，所述应用步骤135将在采集步骤130之后执行。

检测步骤140用于计算标记T之间的相对距离和标记T之间的相对位置，从而确定患者身体的部位A的所述生物特征数据B(体积、长度、曲率角)。

在采集步骤130和检测步骤140之后提供通用3D模型H1的建模步骤150。

所述建模步骤150提供：

-合并步骤，其中，通用3D模型H1与3D图像K合并从而获得根据患者身体的部位A的形态建模的3D模型；

-确定尺寸步骤，其中，基于在检测步骤140中提取的生物特征数据B重新确定模型化3D模型的尺寸，从而获得矫形支架的3D数字原型P。

更准确地说，在所述建模步骤150期间，通用3D模型H1的每个基本单元基于在检测步骤140中检测到的生物特征数据B被建模和重新确定尺寸。

合并步骤通过与主动形状模型(ASM)算法、Meyer泛洪算法、生成森林算法或其它适当实施的图像记录算法结合的形状建模算法，使通用3D模型适应3D图像K。这些算法用于将通用3D模型与3D图像K合并。

否则说，通用3D模型H1与获取或扫描的3D图像K重叠，并且通用3D模型H1基于获取的部位的配置和在检测步骤140中确定的生物特征数据B进行调整和修改。

在实现矫形支架的3D数字原型P后，执行创建步骤155，从而实现可以存储在PC或智能设备的存储单元中的3D数字原型P的STL文件或DWG文件。

如果要物理实现矫形支架，则在存储所述3D数字原型P后，必须在3D数字原型P设计完成后进行矫形支架的实现方法200。

矫形支架的实现方法200提供了执行之前在设计方法中描述的所有步骤，并执行以下操作步骤：

-在3D打印机中导入3D数字原型P的步骤160；在此步骤中，3D数字原型P被加载到通常定义为SLICER的软件上，该软件为3D打印机设置数据和参数，并将3D数字原型P以G代码格式保存；

-用3D打印机打印矫形支架的3D模型以获得所述矫形支架的步骤170。

考虑到初始通用3D模型H1由多个基本单元组成，在打印步骤170期间打印多个元件，每个元件对应于初始通用3D模型H1的一个基本单元。在打印之后，在组装步骤180期间，所有元件通过能调节的固定装置围绕患者身体的部位A而组装，从而调节在打印步骤170中打印的元件的相互位置。调整元件相互位置的可能性保证了矫形支架在损伤的各个步骤中满足患者需求的多功能性和调节性。

能调节的固定装置可包括连接螺钉或阿基米德螺钉以确保精确调节。

或者，可以通过单齿、后齿、双齿、燕尾榫、公母联轴器或其它适当的连接方式来固定元件。

用于元件的连接可能会根据操作期间承受的应力类型和使用的材料而有所不同。为了说明的目的，如果使用传统的嵌合式联轴器，在加工接触面后，应力将直接通过压缩传递。如果使用机械连接，通过插入机械和/或塑料元件连接相邻元件，将间接传递应力。

用于间接连接元件的机械元件可以是带有圆柱形杆的连接器(钉子、销钉、螺钉和夹子)或表面连接器(钉、环和齿板)。

优选地，存储在数据库中的初始通用3D模型H1具有孔。

在建模步骤150中对通用3D模型H1建模之后，孔定义了3D数字原型P的开口。

因此，在打印步骤170期间打印的最终矫形支架也设置有开口。

这样的开口可用于接近患者的皮肤，从而应用与智能手机或其它设备通信的传感器，从而检测生物医学信号并远程监控患者。

或者，所述开口可用于接近患者的皮肤，从而应用释放抗炎物质的装置，或应用刺激患者身体的部位A的电极，从而加速和改善病人的痊愈。

优选地，最终矫形支架的打印步骤170用聚合物材料执行，例如聚乳酸PLA、丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS、ALLUMIDE等、钛(Ti Gr1)或其它合金。

此外，根据矫形支架的结构、机械和功能特性，矫形支架可以采用多种聚合物材料/合金来实现。

本发明的优点在前面的描述之后显而易见。

事实上，通用3D模型H1的数据库的提供大大加快了矫形支架的设计和实现，根据身体的部位A的形态和患者身体的部位A的损伤的特定类型、骨折或缺陷而使矫形支架多样化。

此外，通过上述矫形支架的实现方法200获得的矫形支架的优点包括调节性、排汗性、快速生产和使用经济、可回收材料。

尽管本说明书涉及用于设计和实现矫形支架的方法，但是如果所述方法用于实现植入式内部假体，该植入式内部假体准确地再现患者丢失或受伤的内部部位，而无需改变关节运动，保证更快、更容易的功能恢复。所述的内部假体可以应用于骨骼的所有区域，包括小关节和椎骨。

此外，所述方法还可用于设计或实现通用的穿戴物品，如帽子、手镯或戒指，或实现组织工程中的支架，或实现用于真核生物和/或原核细胞的生长和增殖的细胞培养中的3D支架。

可以对本发明的当前实施例进行许多等效变化和修改，这些变化和修改在本领域技术人员的能力范围内并且在任何情况下都落入所附权利要求所公开的本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种适用于患者身体的部位(A)的矫形支架的设计方法(100)；所述方法包括以下步骤：

-确定将应用所述矫形支架的身体的该部位(A)的步骤(110)；

-在3D模型数据库中识别相对于将应用该矫形支架的患者身体的该部位(A)的通用3D模型(H1)的步骤(120)；

-通过3D图像采集装置采集将应用所述矫形支架的患者身体的该部位(A)的3D图像(K)的步骤(130)；

-检测将应用所述矫形支架的患者身体的该部位(A)的生物特征数据(B)的步骤(140)；

-对通用3D模型(H1)建模的步骤(150)；对该通用3D模型(H1)的所述建模提供了合并步骤，其中将该通用3D模型(H1)与该3D图像(K)合并从而获得根据患者身体的该部位(A)的形态而建模的3D模型；所述建模(150)还提供确定尺寸步骤，其中根据在该检测步骤(140)中检测到的该生物特征数据(B)而对模型化的3D模型重新确定尺寸，从而获得该矫形支架的3D数字原型(P)

其中，存储在该3D模型数据库中的每个通用3D模型(H1)包括多个彼此连接的基本单元；其中，在所述建模步骤(150)的所述确定尺寸步骤中，该3D模型的每个基本单元根据在该检测步骤(140)中检测到的该生物特征数据(B)而重新确定尺寸；并且

该通用3D模型(H1)的所述基本单元被布置为，定义了相邻的基本单元之间的与该通用3D模型的应力线和断裂线相重合的分隔线。

2.根据权利要求1所述的矫形支架的设计方法(100)，其中，存储在该3D模型数据库中的该通用3D模型(H1)具有孔；在该建模步骤(150)中对所述通用3D模型(H1)建模之后，所述孔定义了该3D数字原型(P)的开口。

3.根据前述权利要求中任一项所述的矫形支架的设计方法(100)，包括在该检测步骤(140)之前的施加步骤(135)，其中，将标记(T)施加在该部位(A)的皮肤上或直接施加在该采集步骤(130)中获取的该3D图像(K)上；所述检测步骤(140)提供了对该标记(T)之间的相对距离的计算，从而确定患者身体的该部位(A)的所述生物特征数据(B)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的矫形支架的设计方法(100)，其中，所述采集步骤(130)通过利用X射线、CT、CAT、核磁共振装置、3D扫描仪、激光扫描仪等的任何成像诊断过程来执行。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的矫形支架的设计方法(100)，其中，所述采集步骤(130)通过一个或多个相机来执行，所述相机从不同的视点和不同的角度生成患者身体的该部位(A)的2D照片；所述设计方法(100)在所述采集步骤(130)之后提供重建步骤，其中通过摄影测量技术从该2D照片重建该3D图像。

6.根据前述权利要求中任一项所述的矫形支架的设计方法(100)，包括在该建模步骤(150)之后的创建步骤(155)，其中获得该3D数字原型(P)的STL文件、DWG文件或类似文件。

7.一种适用于患者身体的部位(A)的矫形支架的实现方法(200)；所述实现方法(200)用于实现根据权利要求1至6中任一项所述的设计方法(100)的步骤，并依次实现以下步骤：

-将该3D数字原型(P)导入到3D打印机中的步骤(160)；

-用所述3D模型打印机打印该3D矫形支架模型从而获得3D矫形支架的步骤(170)。

8.一种适用于患者身体的部位(A)的矫形支架的实现方法(200)；所述实现方法(200)用于实现根据权利要求2至6中任一项所述的设计方法(100)的步骤，并依次实现以下步骤：

-将该3D数字原型(P)导入到3D打印机中的步骤(160)；

-用所述3D打印机打印个3D矫形支架从而获得所述3D矫形支架的步骤(170)；其中在所述打印步骤(170)期间打印多个元件，每个元件对应于该通用3D模型(H1)的基本单元；

-组装步骤(180)，其中在该打印步骤(170)期间打印的该元件通过能调节的固定装置围绕患者身体的该部位(A)而组装，从而调节在该打印步骤(170)期间打印的该元件的相互位置。

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