CN205307155U - 一种3d打印个体化定制全腕关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种3D打印个体化定制全腕关节及其制作方法，包括桡骨侧关节柄、掌侧固定托盘、掌侧关节面和桡骨远端关节面，本实用新型根据髓腔直径大小和形态设计桡骨侧关节柄，较以往产品长度增加，直径符合髓腔大小，可直接与患者髓腔进行匹配，无需术中因柄直径不合格而反复扩髓或使用骨水泥。同时针对个体患者，重建患者骨缺损的部分。腕关节面设计有两个方向的滑道，腕关节的运动可简化为两轴运动，从而在完成屈伸收展运动的同时，最大程度保证关节的稳定性，减少脱位的可能。本实用新型重建了患者的解剖形态，恢复了患者部分关节功能，提高了患者术后的Cooney评分，降低了患者的Gartland？and？Werley评分。

Description

一种3D打印个体化定制全腕关节

技术领域

本实用新型涉及一种3D打印个体化定制全腕关节，用于因创伤或肿瘤而引起腕部严重骨缺损的患者，以重建患者腕部正常的解剖和功能，本实用新型属于医疗器械技术领域。

背景技术

对于涉及到腕关节的严重复杂骨缺损来说，常规的腕关节假体或者其他植入物无法弥补其巨大的骨缺损和关节位置的破坏，无法重建正常的解剖形态及功能。现有定制假体，缺乏与医生之间的医工交流，所设计产品很难达到医生要求，且定制假体的设计周期较长，制造成本较高，常规生产手段制造出的假体表面处理效果较差，骨长入效果不良。

实用新型内容

本实用新型主要针对以上情况，提出一种3D打印个体化定制全腕关节及其制作方法，运用3D打印技术，根据患者的骨骼缺损情况和关节设计特点来进行快速个体化设计制造人工关节，真正实现患者解剖结构和功能的重建。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种3D打印个体化定制全腕关节，包括桡骨侧关节柄、掌侧固定托盘、掌侧关节面和桡骨远端关节面；所述掌侧固定托盘下方设置立柱和螺钉，螺钉方向指向立柱，桡骨侧关节柄与桡骨远端关节面连接，掌侧关节面位于桡骨远端关节面下方，掌侧关节面覆盖在掌侧固定托盘表面，掌侧关节面与桡骨远端关节面之间为活动连接。

进一步，所述掌侧关节面的上表面为凸起的半椭球形滑道接触面，下表面为用于和掌侧固定托盘进行组装的超高交联聚乙烯衬垫，所述下表面设置用于和掌侧固定托盘进行固定的固定孔。

进一步，所述立柱的直径为8mm，长度为25mm，锥度为1：3。

再进一步，所述掌侧固定托盘表面的形状为椭圆形，所述桡骨远端关节面的材料为钴铬钼合金。

本实用新型的有益效果是：本实用新型根据髓腔直径大小和形态设计桡骨侧关节柄，较以往产品长度增加，直径符合髓腔大小，可直接匹配，无需术中因柄直径不合格而反复扩髓或使用骨水泥。桡骨侧关节柄远端按照原有解剖形态进行设计，这样设计的目的是一方面重建解剖形态，另一方面为关节滑道提供仿生底座。腕关节面根据腕关节的运动方式，设计有两个方向的滑道，腕关节的运动可简化为两轴运动，方式主要为屈、伸、收、展，从而在完成屈伸收展运动的同时，最大程度保证关节的稳定性，减少脱位的可能。本实用新型的掌侧固定托盘针对患者残存掌骨进行立柱和螺钉的个体化设计，术前就能够掌握最佳固定方案，最大程度地保证了掌侧固定托盘的固定，避免了常规假体固定不牢的缺陷。桡骨远端关节面的材料采用钴铬钼合金，掌侧采用超高交联聚乙烯衬垫以增强耐磨性。本实用新型重建了患者的解剖形态，恢复了患者部分关节功能，提高了患者术后的Cooney评分，降低了患者的GartlandandWerley评分。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明。

附图说明

图1是本实用新型的右视图；

图2是本实用新型的主视图；

图3是本实用新型的左视图；

图4是本实用新型的后视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本实用新型的一种3D打印个体化定制全腕关节，如图1-4所示，包括桡骨侧关节柄1、掌侧固定托盘2、掌侧关节面3和桡骨远端关节面4；所述掌侧固定托盘2下方设置立柱5和螺钉，螺钉方向指向立柱，立柱5的直径为8mm，长度为25mm，锥度为1：3，立柱如图2所示。桡骨侧关节柄与桡骨远端关节面连接，掌侧关节面3位于桡骨远端关节面4下方，掌侧关节面安装在掌侧固定托盘2表面，掌侧关节面与桡骨远端关节面之间为活动连接。

掌侧关节面3的上表面为凸起的半椭球形滑道接触面，下表面为用于和掌侧固定托盘进行组装的超高交联聚乙烯衬垫，所述下表面设置用于和掌侧固定托盘进行固定的固定孔。

所述掌侧固定托盘2表面的形状为椭圆形，桡骨远端关节面的材料为钴铬钼合金。

一种3D打印个体化定制全腕关节的制作方法，包括以下步骤：

S1:根据髓腔直径大小和形态设计并打印桡骨侧关节柄，具体步骤为在医学三维重建软件Mimics中利用患者CT扫描的DICOM格式数据对健侧桡骨进行重建，将患侧与健侧相对比后，确定健侧所需选取的位置和范围，导出stp文件后，将stp文件导入工业软件中，镜像后与患侧对比，将患侧缺失的部分进行相差，近端裁剪，远端按照健侧腕关节宽度进行简化设计，所述桡骨侧关节柄的末端形成一个用于固定连接桡骨远端关节面的仿生底座，底座中心位置留置安装桡骨远端关节面的凹槽，采用金属3D打印技术对医用Ti6Al4V合金进行打印，形成桡骨侧关节柄毛坯，打印完成后超声去除毛坯中的多余粉末。

其中，获取DICOM格式数据的方法为：采集患者双侧腕关节的CT断层并在缺损部位近端和远端完整扫描图像，获取Dicom格式图像。

确定健侧所需选取的位置和范围的方法为：将健侧和患侧近端对齐，平行放在一起，在患侧骨缺损的位置划线截取，所画截取线同时经过健侧，从而截取患侧在健侧对应的部位。

S2:设计桡骨远端关节面，桡骨远端关节面采用凹陷的半椭球形滑道接触面，滑道主要运动方向为仿生模式的左右滑动和上下滑动，所述桡骨远端关节面与桡骨侧关节柄相连接的部位采用凸起的柱状设计，使之与桡骨侧关节柄凹槽匹配，对设计完毕的桡骨远端关节面采用金属3D打印技术对钴铬钼合金进行打印，形成桡骨远端关节面毛坯，超声去除打印完成后的桡骨远端关节面毛坯中的多余粉末。

S3:将桡骨远端关节面和桡骨侧关节柄的接触部位抛光后，将二者组合。

S4:设计制作掌侧关节面，具体步骤为：将掌侧关节面的上表面设计为与桡骨远端关节面对应的凸出半椭球形滑道接触面，滑道主要运动方向为仿生模式的左右滑动和上下滑动，掌侧关节面与掌侧固定托盘接触的下表面设置用于和掌侧固定托盘进行组装的超高交联聚乙烯衬垫，下表面还设置有用于和掌侧固定托盘进行固定的固定孔，打印设计完毕的掌侧关节面。

S5:设计制作掌侧固定托盘，具体步骤为将患侧掌骨导入到工业软件中，在工业软件中以残存掌骨为基准，建立坐标轴，根据患者掌骨的大小，绘制掌侧固定托盘，根据剩余掌骨的位置，调整掌侧固定托盘上立柱和螺钉的位置，设计完成后采用金属3D打印技术对医用Ti6Al4V合金粉末进行打印，形成掌侧固定托盘毛坯件，超声去除毛坯中的多余粉末，对掌侧固定托盘毛坯件进行打磨。

S6:将掌侧关节面安装到掌侧固定托盘上，将组合后的桡骨远端关节面和桡骨侧关节柄与组合后的掌侧关节面和掌侧固定托盘进行连接，其中桡骨侧关节柄和桡骨远端关节面在假体生产时已经安装完毕，掌侧关节面和掌侧固定托盘是在术中进行组装。

在一个实施例中，本实用新型包括四个大的部件，分别为：桡骨侧关节柄1，掌侧固定托盘2，掌侧关节面3，桡骨远端关节面4。掌侧关节面固定在掌侧固定托盘上，桡骨侧远端关节面固定在桡骨关节柄的远端。

桡骨侧关节柄按照原有解剖角度和外形进行仿生简化设计，既符合桡骨突出的角度，也弥补了以往假体无法重建解剖形态的问题。具体步骤是采集患者双侧腕关节的CT断层扫描图像，扫描时需在缺损部位近端和远端扫描完整，便于后期处理。获取Dicom格式图像后导入到Mimics进行重建健侧桡骨，与患侧相比对后截取相应部位，同样经上述步骤导出stp文件后，导入UG等工业软件中，镜像后与患侧对比，将患侧缺失的部分进行相差，近端裁剪，远端按照健侧腕关节宽度进行简化设计。3D打印腕关节的精髓在于仿照正常对侧(健侧)的腕关节进行设计，远端是按照健侧腕关节的宽度进行设计，但在远端骨缺损范围较小的情况下，为了保证解剖形态同时安装方便，本实用新型所设计的全腕关节末端长、宽和角度均仿照健侧腕关节，但并非简单仿生块设计。

在Mimics中，缺如(医学术语)的尺桡骨远端有承担假体长柄的需要，单独分离该部分后，在mimics或Geomagic中提取髓腔，光顺后测量髓腔上下直径，可以设计成关节柄。

本实用新型的桡骨侧关节柄根据髓腔直径大小和形态进行设计，桡骨侧关节柄远端按照原有解剖形态进行设计，这样设计的目的是一方面重建解剖形态，另一方面为关节滑道提供仿生底座。腕关节面根据腕关节的运动方式，采用运动仿生设计方式，设计有两个方向的滑道，腕关节的运动可简化为两轴运动，方式主要为屈、伸、收、展，从而在完成屈伸收展运动的同时，最大程度保证了关节的稳定性，减少了脱位的可能。腕关节面指的是掌侧关节面与桡骨远端关节面相接触的部分。

本实用新型根据髓腔直径大小和形态设计的桡骨侧关节柄，较以往产品长度增加，直径符合髓腔大小，可直接匹配，无需术中因柄直径不合格而反复扩髓或使用骨水泥。

掌侧关节面的上表面即滑道接触面设计为半椭球形滑道接触面，滑道主要运动方向为仿生模式的左右滑动和上下滑动，该设计与腕关节实际运动相同。掌侧关节面与掌侧固定托盘接触的下表面设计用于和掌侧固定托盘进行组装，掌侧关节面材质为超高交联聚乙烯，与掌侧固定托盘接触面设计固定孔，便于固定到掌侧固定托盘上。

掌侧固定托盘上设计一个直径为8mm、长度为25mm、锥度为1：3的立柱，掌侧固定托盘底部为一枚固定螺钉，螺钉方向指向立柱，最大限度保证立柱和螺钉都能植入残存掌骨中。设计制作掌侧固定托盘的具体步骤为将患侧掌骨导入到UG等工业软件中，在UG等工业软件中以残存掌骨为基准，建立坐标轴，根据患者掌骨的大小，绘制掌侧固定托盘，根据剩余掌骨的位置，调整掌侧固定托盘上立柱和螺钉的位置，设计完成后采用金属3D打印技术以Ti6Al4V粉末进行打印，形成毛坯件，超声去除毛坯中的多余粉末，进行打磨，使掌侧关节面能够安装到在掌侧固定托盘上。

在掌侧固定托盘的设计中，常规的腕关节往往是将立柱设置在托盘中间位置，两个固定螺钉以一定角度向旁边两个角度设置。对于常规患者来说这种设计固定较为牢固。但对于大范围骨缺损的患者来说，这种螺钉角度设计无法固定到骨质上，而本实用新型的掌侧固定托盘针对患者残存掌骨进行立柱和螺钉的个体化设计，术前就能够掌握最佳固定方案，最大程度地保证了掌侧固定托盘的固定，避免了常规假体固定不牢的缺陷。

桡骨远端关节面的材料采用钴铬钼合金，掌侧关节面采用超高交联聚乙烯衬垫以增强耐磨性。设计制作桡骨远端关节面的具体步骤为采用ArcamA1EBM金属打印机对钴铬钼合金进行打磨，形成桡骨远端关节面毛坯，将桡骨远端关节面毛坯打印完成后超声去除毛坯中的多余粉末，将已经打印好的掌侧关节面与桡骨远端关节面的接触部位抛光后，将假体柄整体与掌侧关节面进行连接，两个关节面其余位置保留打印形成的不光滑面。

需要说明的是，最新一代商品化的腕关节假体，由于生产技术受限，只能采用钴铬钼合金来完成全柄的制作，钴铬钼合金作为假体柄，其骨长入效果较差，长期固定效果欠佳。

Smallbones腕关节假体，属于第四代腕关节，经过了几十年的改良，已经是现在成功率的腕关节假体。但其假体柄较短，仅仅适用于类风湿关节炎等关节面发生破坏的患者，对于关节面下方大块骨缺损的患者，甚至无法完成固定，更不用说进行解剖形态和功能的重建。而3D打印的腕关节柄则可以根据患者缺损情况，通过以上步骤，通过对患者骨骼进行重建，设计出符合患者长度、直径的能够弥补患者的缺损部位的假体柄。

以前期开展的临床试验为例：男性患者,40岁，右侧腕开放伤两年余，感染清创术后一年余。患者缘于两年前机器挤压致右尺桡骨开放性粉碎性骨折、近端掌骨粉碎性骨折、前臂背侧肌腱及软组织缺损，于他院行清创骨折内固定皮瓣转移修复术等。术后感染，两次行扩创灌洗术及右侧尺桡骨内固定物取出骨髓炎病灶清创术。感染控制不佳，一年前于他院行扩创死骨清除术。因高能创伤造成严重骨缺损，后形成骨髓炎，骨髓炎治疗不佳致骨缺损范围增大，最终致远端尺桡骨及掌骨近端缺损，患者现表现为垂腕畸形，腕关节主被动屈伸活动均受限。治疗该患者需行个体化的全腕关节置换术，但国内无相应假体，国外smallbone公司虽有全腕关节假体，但仅限于腕关节的表面置换，该患者缺损部位较大，无法应用现有假体，为满足患者重新建立解剖结构，恢复部分功能的要求，经患者知情同意参与临床实验后，用本实用新型根据患者自身解剖结构进行假体设计，最终为该患者定制全腕关节假体。常规手术，术后进行康复指导。患者术后6个月由术前垂腕状态，到可自主使用手机。Cooney评分从术前30分达到术后60分(越高越好)，GartlandandWerley评分降低从术前28分降低到11分(越低越好)。

本实用新型仅以上述最为常见的实施方式进行说明，凡是在本实用新型的启示下得到的其他形式的机组及根据本实用新型的基本原理对个别部件进行的变换或者改进得到的机组，均在其保护范围之内。

Claims (4)

1.一种3D打印个体化定制全腕关节，其特征在于：包括桡骨侧关节柄(1)、掌侧固定托盘(2)、掌侧关节面(3)和桡骨远端关节面(4)；所述掌侧固定托盘(2)下方设置立柱(5)和螺钉，螺钉方向指向立柱，桡骨侧关节柄与桡骨远端关节面连接，掌侧关节面(3)位于桡骨远端关节面(4)下方，掌侧关节面覆盖在掌侧固定托盘(2)表面，掌侧关节面与桡骨远端关节面之间为活动连接。

2.根据权利要求1所述的3D打印个体化定制全腕关节，其特征在于：所述掌侧关节面(3)的上表面为凸起的半椭球形滑道接触面，下表面为用于和掌侧固定托盘进行组装的超高交联聚乙烯衬垫，所述下表面设置用于和掌侧固定托盘进行固定的固定孔。

3.根据权利要求1所述的3D打印个体化定制全腕关节，其特征在于：所述立柱(5)的直径为8mm，长度为25mm，锥度为1：3。

4.根据权利要求1-3之一所述的3D打印个体化定制全腕关节，其特征在于：所述掌侧固定托盘(2)表面的形状为椭圆形，所述桡骨远端关节面的材料为钴铬钼合金。