[發(fā)明專利]一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410081733.2
• 申請(qǐng)日: 2014-03-07
• 公開（公告）號(hào): CN103860293A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余家闊;楊波;楊永強(qiáng);宋長輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)第三醫(yī)院;華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): A61F2/38
• 分類號(hào): A61F2/38;G06T19/00
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;關(guān)暢

1.一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，包括：

1）基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立股骨和脛骨三維數(shù)字化模型的步驟；

2）運(yùn)用虛擬截骨軟件分別對(duì)股骨和脛骨三維數(shù)字化模型進(jìn)行模擬截骨的步驟；

3）逆向設(shè)計(jì)股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體的CAD模型的步驟；

4）根據(jù)上述各假體的CAD模型并通過3D打印技術(shù)來制造全膝關(guān)節(jié)置換假的步驟。

2.如權(quán)利要求1所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，所述步驟1）具體包括：

①基于患者膝關(guān)節(jié)股骨的DICOM格式的CT/MRI斷層掃描圖像，運(yùn)用醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics，依據(jù)軟組織與骨骼在圖像中表現(xiàn)不同的灰度的特點(diǎn)進(jìn)行圖像分割、修補(bǔ)處理后，進(jìn)行三維重構(gòu)以獲得股骨三維數(shù)字化模型，并輸出為PLY格式文件；

②基于患者膝關(guān)節(jié)脛骨的DICOM格式的CT/MRI斷層掃描圖像，運(yùn)用醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics，依據(jù)軟組織與骨骼在圖像中表現(xiàn)不同的灰度的特點(diǎn)進(jìn)行圖像分割、修補(bǔ)處理后，進(jìn)行三維重構(gòu)以獲得脛骨三維數(shù)字化模型，并輸出為PLY格式文件。

3.如權(quán)利要求1所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，所述步驟2）具體包括：

①將股骨三維數(shù)字化模型的PLY格式文件導(dǎo)入Geomagic?Studio軟件，首先建立股骨的機(jī)械軸，然后在機(jī)械軸的垂直面上找到股骨的外科上髁線，以股骨機(jī)械軸為Z軸、外科上髁線為X軸，根據(jù)右手笛卡爾坐標(biāo)系定則建立三維坐標(biāo)系；完成對(duì)股骨的定位后，按照全膝置換術(shù)的手術(shù)方案進(jìn)行模擬股骨遠(yuǎn)端截骨，獲得股骨的截除骨模型和保留骨模型，導(dǎo)出為STL格式文件；

②將脛骨三維數(shù)字化模型的PLY格式文件導(dǎo)入Geomagic?Studio軟件，首先建立脛骨的機(jī)械軸，然后以脛骨機(jī)械軸為Z軸、外科上髁線為X軸，根據(jù)右手笛卡爾坐標(biāo)系定則建立三維坐標(biāo)系；完成對(duì)脛骨的定位后，將脛骨后傾7°，脛骨外側(cè)平臺(tái)下10mm進(jìn)行模擬脛骨近端截骨，獲得脛骨的截除骨模型和保留骨模型，導(dǎo)出為STL格式文件。

4.如權(quán)利要求1所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，所述步驟3）具體包括：

①首先依據(jù)股骨的截除骨模型，提取股骨遠(yuǎn)端曲面形態(tài)，保持股骨遠(yuǎn)端曲面形態(tài)不變進(jìn)行光順與優(yōu)化，獲得股骨假體曲面形態(tài)；然后依據(jù)股骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形態(tài)特征，設(shè)計(jì)股骨假體貼合面特征；最后添加固定結(jié)構(gòu)，包括添加固定圓柱體以及后端連接柱體，獲取最終的股骨置換假體CAD模型；

②依據(jù)脛骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形態(tài)特征，設(shè)計(jì)脛骨假體貼合面特征；然后以脛骨骨髓腔形貌設(shè)計(jì)釘入物，獲得最終的脛骨置換假體CAD模型；

③依據(jù)股骨置換假體曲面和脛骨截除骨模型獲得脛骨墊片假體的基本形狀，設(shè)計(jì)脛骨墊片形態(tài)特征，使其與股骨假體曲面以及脛骨假體結(jié)構(gòu)最佳匹配，獲得最終的脛骨墊片假體CAD模型。

5.如權(quán)利要求1所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，所述步驟4）具體包括：

①將股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體的CAD模型導(dǎo)入快速成型輔助軟件MaterialiseMagics中進(jìn)行處理，包括擺放定位、添加支撐和分層，并將得到的分層文件保存為CLI格式；

②將分層文件導(dǎo)入RPPath軟件中進(jìn)行掃描方式選擇及掃描間距的設(shè)置，得到二維信息數(shù)據(jù)后導(dǎo)入到快速成型系統(tǒng)，通入惰性氣體，進(jìn)行激光選區(qū)熔化的3D打印制造；

③取出3D打印的股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體試件，實(shí)施后續(xù)熱處理、噴砂和拋光的工序，完成全膝關(guān)節(jié)置換假體成品的制造。

6.如權(quán)利要求5所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，所述步驟4）的步驟②中，激光選區(qū)熔化的3D打印制造具體為：柔性鋪粉機(jī)構(gòu)將粉末平整地鋪于基板上，然后激光在計(jì)算機(jī)控制下按照模型分層后的二維信息數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，粉末熔化后凝結(jié)在下一層基體上，然后成型缸下降粉料缸上升，鋪粉系統(tǒng)再次送粉、鋪粉，熔化粉末，重復(fù)此過程，直到制造完成。

7.如權(quán)利要求6所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，3D打印制造的掃描方式為正交掃描，掃描間距設(shè)置為0.08mm，加工層厚0.035mm，掃描速度700mm/s，激光功率160W。