CN116327452A - 一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块及其制作方法，包括：获取CT扫描数据，利用Mimics软件建立患侧和健侧胫骨模型并导出到Magics软件，对患侧胫骨模型进行镜像操作、位置调整后，对两个模型进行布尔运算，得到的模型即为骨缺损模型，获取骨缺损的形态参数，将骨缺损处由内到外在长度上至少三等分为3个区域，计算每个区域的弹性模量，依据骨缺损模型和骨缺损处的每个区域的弹性模量设计缺损垫块。本发明通过将缺损垫块划分的各区域设计为与骨缺损处对应区域的弹性模量相近的网格结构，使仿生垫块的弹性模量的大小及分布趋势与对应的骨缺损处的胫骨平台骨相符，从而实现了缺损垫块在弹性模量上的仿生，减少应力屏蔽现象。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块及其制作方法。
背景技术
全膝关节置换术可以有效地减轻膝关节骨性关节炎患者疼痛并恢复功能。患有严重膝关节骨性关节炎的患者常并发胫骨平台非包容性骨缺损，此时应用常规假体难以维持稳定，需要应用缺损垫块以有效地填补缺损，维持假体稳定，保证全膝关节置换术的治疗效果。
目前缺损垫块所用材料多为钛金属及其合金，弹性模量远高于骨，缺损垫块会限制骨上应力的传导，原本施加到骨上的应力会被垫块吸收一部分，致使骨上所受应力降低，导致骨密度降低，最终产生骨质吸收，这种现象被称为应力屏蔽。现有缺损垫块多为实心材质，会加剧应力屏蔽现象，也有少部分缺损垫块采取了梯度微孔设计（授权公告号为CN111297524B的一种膝关节缺损垫块及其制造方法），微孔缺损垫块的弹性模量低于实心垫块但依旧高于骨，且弹性模量的分布趋势与胫骨平台骨不相符，未达到弹性模量上的仿生。
发明内容
为了解决现有缺损垫块的弹性模量的分布趋势与胫骨平台骨不相符，未达到弹性模量上的仿生的问题，本发明提供一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块及其制作方法。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：获取患者双侧胫骨高分辨CT扫描数据，在Mimics软件中根据CT扫描数据对胫骨进行三维重建，得到患侧胫骨模型和健侧胫骨模型，将患侧胫骨模型和健侧胫骨模型以STL格式分别导出到Magics软件中；
步骤2：在Magics软件中，对患侧胫骨模型进行镜像操作，并将镜像后的患侧胫骨模型调整到与健侧胫骨模型相同的位置，然后对镜像后的患侧胫骨模型与健侧胫骨模型进行布尔运算，得到的模型即为骨缺损模型，获取该模型中骨缺损的形态参数，根据骨缺损的深度确定缺损垫块的厚度，将骨缺损模型以STL格式导入到Mimics软件中；
步骤3：在Mimics软件中，将骨缺损模型的骨缺损处由内到外在长度上至少三等分为3个区域，并测量CT扫描数据中每个区域对应所有像素点的CT值，根据CT值计算出每个像素点的弹性模量及每个区域的平均弹性模量，用每个区域的平均弹性模量代表该区域的弹性模量；
步骤4：在三维建模软件中依据骨缺损模型和骨缺损处的每个区域的弹性模量设计缺损垫块，缺损垫块的形状与骨缺损模型的骨缺损处的形状相匹配，并且缺损垫块上设有用于与假体固定的两个孔洞和位于两个孔洞之间的缺口，所述缺损垫块的具体设计过程如下：
若缺损垫块为钛合金材质，将缺损垫块由内到外在长度上至少三等分为3个区域，每个区域设计为网格结构，并且各个网格结构的弹性模量与骨缺损处对应区域的弹性模量之差的绝对值小于第一阈值；将缺损垫块除了上表面外的其它表面赋予一层厚度小于第二阈值的微孔结构，同时设计为在手术中从上表面往缺损垫块中孔隙处植入骨水泥；
若缺损垫块为聚醚醚酮材质，将缺损垫块由内到外在长度上至少三等分为3个区域，每个区域设计为网格结构，并且各个网格结构的弹性模量与骨缺损处对应区域的弹性模量之差的绝对值小于第一阈值。
相应地，本发明还提出一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块，其采用上述的膝关节缺损多元耦合仿生垫块的制作方法制作而成。
本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明所提出的一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块的制作方法，通过先将骨缺损模型的骨缺损处至少三等分为3个区域，利用CT扫描数据计算出每个区域的弹性模量，再将缺损垫块进行相同数量的等分，并将缺损垫块划分的各个区域设计为弹性模量与骨缺损处对应区域的弹性模量相近的网格结构，使仿生垫块的弹性模量的大小及分布趋势与对应的骨缺损处的胫骨平台骨相符，从而实现了缺损垫块在弹性模量上的仿生，极大地减少了缺损垫块的应力屏蔽，从而减少骨密度的降低，避免发生骨质吸收；
（2）本发明所提出的仿生垫块是一种多元耦合的垫块，其不仅能够达到弹性模量上的仿生，而且其材质可以采用钛合金或者聚醚醚酮，能够稳定支撑假体，保证全膝关节置换术的治疗效果。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例所述的一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块的制作方法的流程图；
图2为本发明实施例中采用钛合金材质的缺损垫块的俯视图；
图3为本发明实施例中采用聚醚醚酮材质的缺损垫块的俯视图。
具体实施方式
下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块的制作方法，以患者为膝关节骨性关节炎并发骨缺损患者为例，本实施例的制作方法具体包括以下步骤：
S1：对患者双侧胫骨进行CT扫描，获取到患者双侧胫骨的高分辨CT扫描数据，将CT扫描数据导入到Mimics软件中，在Mimics软件中根据CT扫描数据对胫骨进行三维重建，得到患者的患侧胫骨模型和健侧胫骨模型，然后再将患侧胫骨模型和健侧胫骨模型以STL格式分别导出到Magics软件中。
S2：在Magics软件中对患者的患侧胫骨模型进行镜像操作，并将镜像后的患侧胫骨模型调整到与健侧胫骨模型相同的位置，接下来对镜像后的患侧胫骨模型与健侧胫骨模型进行布尔运算，得到的模型即为骨缺损模型，获取该模型中骨缺损的形态参数，根据骨缺损的深度确定缺损垫块的厚度，即缺损垫块的厚度等于骨缺损的深度，同时将骨缺损模型以STL格式导入到Mimics软件中。
S3：在Mimics软件中，将骨缺损处由内到外在长度上至少三等分为3个区域，其中内外分别指距离人体中轴线近的为内侧，远的为外侧；
将骨缺损处划分完3个区域后，测量CT扫描数据中每个区域对应所有像素点的CT值，根据CT值计算出每个像素点的弹性模量，进而根据每个区域内的各个像素点的弹性模量计算出该区域的平均弹性模量，用每个区域的平均弹性模量代表这个区域的弹性模量。
S4：在Rhino软件或者UG NX软件或者Solidworks软件等三维建模软件中依据计算得到的每个区域的弹性模量结果和骨缺损模型设计缺损垫块，缺损垫块的形状与骨缺损模型的骨缺损处的形状相匹配，并且缺损垫块上设有用于与假体固定的两个孔洞和位于两个孔洞之间的缺口，缺损垫块的上表面与假体固定，下表面与胫骨平台骨固定。缺损垫块的材质可以为钛合金或聚醚醚酮材质。根据骨缺损模型和骨缺损处的每个区域的弹性模量设计缺损垫块的具体过程如下：
若缺损垫块为钛合金材质，按照与骨缺损处相同的区域划分方法，将缺损垫块由内到外至少三等分为3个区域，如图2所示，（分别为第一区域1、第二区域2、第三区域3），本领域技术人员也可以根据实际情况等分为更多的区域，其中内外分别指距离人体中轴线近的为内侧，远的为外侧，即图2中的圆弧侧为外侧，直线侧为内侧；第一区域1、第二区域2、第三区域3分别设计为弹性模量与骨缺损处对应区域弹性模量相近的网格结构，例如骨缺损处对应区域的弹性模量为A，网格结构的弹性模量则设计为A±50MPa，从而满足各个网格结构的弹性模量与骨缺损处对应区域的弹性模量之差的绝对值小于第一阈值（例如50MPa）。由于钛合金的弹性模量远高于骨，设计出的网格结构孔隙较大，为了使缺损垫块能在形状上将骨缺损填充完整，将缺损垫块除了上表面外的其它表面赋予一层薄的微孔结构，该微孔结构的厚度小于第二阈值（例如1mm），同时设计为在手术中从上表面处往缺损垫块中孔隙处植入骨水泥以填补孔隙。
若缺损垫块为聚醚醚酮材质，同样按照与骨缺损处相同的区域划分方法，将缺损垫块由内到外至少三等分为3个区域，如图3所示，（分别为第四区域4、第五区域5、第六区域6），其中内外分别指距离人体中轴线近的为内侧，远的为外侧，即图3中的圆弧侧为外侧，直线侧为内侧；第四区域4、第五区域5、第六区域6分别设计为弹性模量与骨缺损处对应区域弹性模量相近的网格结构，例如骨缺损处对应区域的弹性模量为A，网格结构的弹性模量则设计为A±50MPa，从而满足各个网格结构的弹性模量与骨缺损处对应区域的弹性模量之差的绝对值小于第一阈值（例如50MPa）。由于聚醚醚酮的弹性模量与骨相近，因此设计出的网格结构孔隙与骨小梁孔隙大小相近，不需要像钛合金材质的缺损垫块那样设计微孔结构和植入骨水泥。
本实施例所提出的一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块的制作方法，通过先将骨缺损模型的骨缺损处至少三等分为3个区域，利用CT扫描数据计算出每个区域的弹性模量，再将缺损垫块进行相同数量的等分，并将缺损垫块划分的各个区域设计为弹性模量与骨缺损处对应区域的弹性模量相近的网格结构，使仿生垫块的弹性模量的大小及分布趋势与对应的骨缺损处的胫骨平台骨相符，从而实现了缺损垫块在弹性模量上的仿生，极大地减少了缺损垫块的应力屏蔽，从而减少骨密度的降低，避免发生骨质吸收。与此同时，本发明所提出的仿生垫块是一种多元耦合的垫块，其不仅能够达到弹性模量上的仿生，而且其材质可以采用钛合金或者聚醚醚酮，能够稳定支撑假体，保证全膝关节置换术的治疗效果。
在另一个实施例中，本发明还提出一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块，该膝关节缺损多元耦合仿生垫块采用前述实施例所述的制作方法制作而成，该制作方法的各个步骤的具体内容参见前述实施例，此处不再赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取患者双侧胫骨高分辨CT扫描数据，在Mimics软件中根据CT扫描数据对胫骨进行三维重建，得到患侧胫骨模型和健侧胫骨模型，将患侧胫骨模型和健侧胫骨模型以STL格式分别导出到Magics软件中；
步骤2：在Magics软件中，对患侧胫骨模型进行镜像操作，并将镜像后的患侧胫骨模型调整到与健侧胫骨模型相同的位置，然后对镜像后的患侧胫骨模型与健侧胫骨模型进行布尔运算，得到的模型即为骨缺损模型，获取该模型中骨缺损的形态参数，根据骨缺损的深度确定缺损垫块的厚度，将骨缺损模型以STL格式导入到Mimics软件中；
步骤3：在Mimics软件中，将骨缺损模型的骨缺损处由内到外在长度上至少三等分为3个区域，并测量CT扫描数据中每个区域对应所有像素点的CT值，根据CT值计算出每个像素点的弹性模量及每个区域的平均弹性模量，用每个区域的平均弹性模量代表该区域的弹性模量；
步骤4：在三维建模软件中依据骨缺损模型和骨缺损处的每个区域的弹性模量设计缺损垫块，缺损垫块的形状与骨缺损模型的骨缺损处的形状相匹配，并且缺损垫块上设有用于与假体固定的两个孔洞和位于两个孔洞之间的缺口，所述缺损垫块的具体设计过程如下：
若缺损垫块为钛合金材质，将缺损垫块由内到外在长度上至少三等分为3个区域，每个区域设计为网格结构，并且各个网格结构的弹性模量与骨缺损处对应区域的弹性模量之差的绝对值小于第一阈值；将缺损垫块除了上表面外的其它表面赋予一层厚度小于第二阈值的微孔结构，同时设计为在手术中从上表面往缺损垫块中孔隙处植入骨水泥；
若缺损垫块为聚醚醚酮材质，将缺损垫块由内到外在长度上至少三等分为3个区域，每个区域设计为网格结构，并且各个网格结构的弹性模量与骨缺损处对应区域的弹性模量之差的绝对值小于第一阈值。
2.根据权利要求1所述的一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块的制作方法，其特征在于，所述三维建模软件为Rhino软件、UG NX软件和Solidworks软件中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块的制作方法，其特征在于，所述第一阈值为50MPa，所述第二阈值为1mm。
4.一种膝关节缺损多元耦合仿生垫块，其特征在于，采用如权利要求1至3任意一项所述的制作方法制作而成。
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