CN117644214A - 一种应用于骨科3d打印中模型构建方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请专利涉及3D打印技术领域，尤其涉及应用于骨科3D打印中模型构建方法及系统。包括以下步骤：步骤一：扫描采集人体骨骼具体状况，建立基础骨骼模型三维图像；步骤二：然后根据钛金属的物理特性和人体骨骼不同部位骨骼特性，构建具有骨小梁结构和多孔性结构的骨骼模型库；步骤三：扫描患者受损骨骼部位，获取患者受损骨骼部位数据，在骨骼模型库，匹配对应所述骨骼缺损部分区域的带有骨小梁结构和多孔性结构的三维模型；步骤四：根据患者具体部位骨密度和具体患者的身高、体重，结合人体工程力学来调整多孔结构和骨小梁机构，对弹性模量和载荷进行调节，更加贴合人体骨骼的实际需求；本申请提供了一种骨骼三维重建的方法及系统，能够依据骨骼受损情况快速建立三维模型，为骨科3D打印快速提供精准三维模型。
Description
技术领域
本申请涉及3D打印技术领域，尤其涉及应用于骨科3D打印中模型构建方法及系统。
背景技术
骨骼是人体的重要器官，但由于疾病、交通事故等原因，每年都有大量的骨骼修复手术，骨骼是人体的重要组成，一些疾病和意外事故会对骨骼造成永久性损伤，对于骨骼受损严重的情况，就需要对骨骼的进行替换。但是每个人的骨骼都不相同，传统标准件的骨科植入物会让患者有较长的适应周期。激光3D打印技术是一种新型的制造工艺，其重要的特点是可以通过CT/MRI等扫描患者受损处，得到扫描图像，通过3D建模技术建立三维模型高度还原受损部位。进而根据三维模型3D打印出对应的受损部分骨骼。
骨骼激光3D打印技术主要使用的材料是钛金属粉等，根据钛金属的物理特性和人体骨骼主要成分的物理特性的差异性，钛合金具有足够的力学强度，其弹性模量远高于人体骨的，因此存在“应力遮蔽”效应，导致骨融合失败的几率较高。
发明内容
为了解决骨科3D打印中，缺乏一个系统能够快速根据骨骼受损情况进行三维模型重建的问题，本申请提供了一种骨骼三维重建的方法及系统，能够依据骨骼受损情况快速建立三维模型，为骨科3D打印快速提供精准三维模型。
一方面获取人体骨骼的扫描数据，并采用仿生构建方法构建人体骨骼三维图像：
步骤一：利用图像扫描，采集人体骨骼具体状况的图像信息，使用医疗扫描设备，将人体骨骼结构扫描出来，建立基础骨骼模型三维图像；
步骤二：然后根据钛金属的物理特性和人体骨骼不同部位骨骼特性，构建具有骨小梁结构和多孔性结构的骨骼模型库；
步骤三：扫描患者受损骨骼部位，获取患者受损骨骼部位数据，在骨骼模型库，匹配对应所述骨骼缺损部分区域的带有骨小梁结构和多孔性结构的三维模型；
步骤四：根据患者具体部位骨密度和具体患者的身高、体重，结合人体工程力学来调整多孔结构和骨小梁机构，对弹性模量和载荷进行调节，更加贴合人体骨骼的实际需求；
在一些实施方案中，本申请所述的一种应用于骨科3D打印中模型构建方法及系统，其中步骤一所述扫描建模进一步包括使用医院CT、MRI、B超等设备进行断层扫描，获取相应人体骨骼的断层信息，并且对扫描信息进行三维立体构建。
在一些实施方案中，本申请所述的一种应用于骨科3D打印中模型构建方法及系统，其中步骤二所述构建具有骨小梁结构和多孔性结构的骨骼模型库，多孔型结构能够解决传统骨科植入物弹性模量过高，存在“应力遮蔽”效应的问题，通过改变多孔结构的单元类型或丝径、孔径、孔隙率等参数对弹性模量进行调节控制，使骨科植入物的弹性模量尽可能贴近病患部位的人体骨弹性模量；而且能够根据需要自由调整多孔结构特征实现力学性能灵活可调，更加贴合人体骨骼的实际需求。对于需要承受较大载荷的骨骼区域，还可以进一步在多孔结构的适当位置设计加强支撑梁，提高骨科植入物的力学强度；
在一些实施方案中，本申请所述的一种应用于骨科3D打印中模型构建方法及系统，其中步骤三所述在骨骼模型库，匹配对应所述骨骼缺损部分区域的带有骨小梁结构和多孔性结构的三维模型，并根据患者受损部位的数据，对对应骨骼缺损部分模型进行微调得到拟合的骨骼三维模型；
在一些实施方案中，本申请所述的一种应用于骨科3D打印中模型构建方法及系统，其中步骤四所述根据患者具体部位骨密度和具体患者的身高、体重，结合人体工程力学来调整多孔结构的丝径和孔径、孔隙率，对弹性模量进行调节控制，使植入物的弹性模量尽可能贴近病患部位的人体骨弹性模量。对于需要承受较大载荷的植入物，还可以进一步在多孔结构的适当位置设计加强支撑梁，提高植入物的力学强度，更加贴合人体骨骼的实际需求；
本申请的有益效果是：本申请采用医院CT、MRI、B超等设备进行骨骼断层扫描，预建人体骨骼三维模型库，方便快速建模；根据钛金属的物理特性和人体工程学原理构建骨骼内部的骨小梁和多孔结构，更加贴合人体骨骼的实际需求；扫描患者受损骨骼部位，快速匹配骨骼模型库三维模型，加快建模速度和效率；根据患者具体部位骨密度和具体患者的身高、体重，结合人体工程力学来进行微调，更加贴合单个个体的实际需求。
具体实施方式
下面以具体实施例对本申请作进一步的说明，但本申请不受下述实施例的限制。
第一步：建立人体骨骼三维模型库
首先通过CT、MRI、B超等扫描设备,对人体骨骼组织结构进行扫描,利用MIMICS三维重建软件得出人体骨骼的大小及形态，然后通过三维设计软件得人体骨骼的大小及尺寸，并建立人体骨骼组织结构的三维结构数据模型。模型库需根据年龄、身高、标准体重、性别来建立多个三维模型。
各块人体骨骼模型多孔结构内部或表面设有支撑梁，多孔结构的单元类型为菱形十二面体型或四面体型或八面体型或金刚石型或三角洲型或无序型。多孔结构的丝径为100-500μm，其孔径为200-1000μm，孔隙率为20％-90％。
第三步：扫描患者受损骨骼部位，获取患者受损骨骼部位数据，匹配对应所述骨骼缺损部分三维模型
匹配方法：首先可以通过患者年龄、身高、体重来锁定相应的整体骨骼模型，通过患者受损部位来锁定具体骨骼部位模型。骨骼模型数据库中匹配到对应的骨骼三维模型。其中，骨骼模型数据库中包括提前建立的不同类型骨骼的三维模型，例如头骨模型、指骨模型、股骨模型、趾骨模型、颈椎模型、膝关节模型等等。然后通过CT、MRI、B超等设备对患者受损骨骼部位进行断层扫描，获取具体部位及骨骼数据，根据获得受损部位数据从模型库相应骨骼模型中快速切出受损骨骼三维模型。
第四步：根据患者具体部位骨密度和具体患者的身高、体重，结合人体工程力学来调整多孔结构和骨小梁结构，对弹性模量和载荷进行调节，更加贴合人体骨骼的实际需求；
为了准确衡量多孔结构和骨小梁的结构形态特点，根据患者具体部位骨密度和具体患者的身高、体重，利用形态学参数来进行定量，计算多孔结构和骨小梁的力学性能，结合代表体元法和有限元法，将钛金属力学性能的弹性模量、泊松比、剪切模量，利用代表体元的边长和受力后形变长度进行求解，优化求解多孔模型，利用变密度法和均匀化法设计目标函数、约束条件及控制方程，进行仿骨小梁结构的模型优化还原实体结构。对弹性模量进行调节控制，使植入物的弹性模量尽可能贴近病患部位的人体骨弹性模量。提高植入物的力学强度，更加贴合人体骨骼的实际需求。
本申请优点在于：一种应用于骨科3D打印中模型构建方法及系统，预见人体骨骼模型库，考虑真实结构形态和力学性能，设计的仿生多孔结构能实现结构和功能的统一，并且快速匹配
大大减少个体单独建模时间和复杂度，利于后期的加工和处理，为定制化、个性化3D打印骨科植入物置换治疗提供依据和方法。
Claims (4)
1.一种应用于骨科3D打印中模型构建方法及系统，其特征在于，包括以下：
步骤一：利用图像扫描，采集人体骨骼具体状况的图像信息，使用医疗扫描设备，将人体骨骼结构扫描出来，建立基础骨骼模型三维图像，根据年龄、身高、标准体重、性别来建立多个三维模型；
二：然后根据钛金属的物理特性和人体骨骼不同部位骨骼特性，构建具有骨小梁结构和多孔性结构的骨骼模型库；
三：扫描患者受损骨骼部位，获取患者受损骨骼部位数据，在骨骼模型库，匹配对应所述骨骼缺损部分区域的带有骨小梁结构和多孔性结构的三维模型；
四：根据患者具体部位骨密度和具体患者的身高、体重，结合人体工程力学来调整多孔结构和骨小梁机构，对弹性模量和载荷进行调节，更加贴合人体骨骼的实际需求；
步骤一所述扫描建模进一步包括使用医院CT、MRI、B超等设备进行断层扫描，获取相应人体骨骼的断层信息，并且对扫描信息进行三维立体构建。
2.步骤二述构建具有骨小梁结构和多孔性结构的骨骼模型库，多孔型结构能够解决传统骨科植入物弹性模量过高，存在“应力遮蔽”效应的问题，通过改变多孔结构的单元类型或丝径、孔径、孔隙率等参数对弹性模量进行调节控制，使骨科植入物的弹性模量尽可能贴近病患部位的人体骨弹性模量；而且能够根据需要自由调整多孔结构特征实现力学性能灵活可调，更加贴合人体骨骼的实际需求。
3.对于需要承受较大载荷的骨骼区域，还可以进一步在多孔结构的适当位置设计加强支撑梁，提高骨科植入物的力学强度；
步骤三所述在骨骼模型库，匹配对应所述骨骼缺损部分区域的带有骨小梁结构和多孔性结构的三维模型，并根据患者受损部位的数据，对对应骨骼缺损部分模型进行微调得到拟合的骨骼三维模型；
步骤四所述根据患者具体部位骨密度和具体患者的身高、体重，结合人体工程力学来调整多孔结构的丝径和孔径、孔隙率，对弹性模量进行调节控制，使植入物的弹性模量尽可能贴近病患部位的人体骨弹性模量。
4.对于需要承受较大载荷的植入物，还可以进一步在多孔结构的适当位置设计加强支撑梁，提高植入物的力学强度，更加贴合人体骨骼的实际需求。
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