[發明專利]一種全膝關節置換假體的個性化逆向設計與制造方法

有效

• 申請號: 201410081733.2
• 申請日: 2014-03-07
• 公開（公告）號: CN103860293A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 余家闊;楊波;楊永強;宋長輝
• 申請（專利權）人: 北京大學第三醫院;華南理工大學
• 主分類號: A61F2/38
• 分類號: A61F2/38;G06T19/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;關暢

技術領域

本發明涉及一種人工膝關節假體的設計與制造方法，具體涉及一種基于原生骨形態全膝關節置換假體的個性化逆向設計與制造方法。

背景技術

目前，骨性關節炎、類風濕性關節炎是老年人常見的關節疾病，嚴重影響患者的生活質量，缺乏有效的保守治療方法。對于晚期骨關節病的患者來說，全膝置換術現在已廣泛應用于臨床，成為治療此類疾病的有效治療方法，可以減輕患者的病痛，提高生活質量。

研究顯示每個患者個體的膝關節解剖形態都是不一樣，而目前全膝置換用膝關節假體系統都是標準化、模塊化設計的幾種不同型號的假體，這樣標準化的假體和患者個人的膝關節形態就會出現不匹配。假體與膝關節形態不匹配會造成假體的覆蓋不全或懸掛，進而造成假體的磨損、使用壽命縮短以及關節置換術后膝關節疼痛、腫脹等臨床癥狀，甚至造成假體翻修的可能。因此有必要設計出與膝關節形態達到最佳匹配的假體，提高手術效果，減少并發癥。這就需要針對每個患者設計制造個性化的膝關節假體。但是，現有的膝關節假體加工技術一般采用模具鑄造、數控精加工等方法，無法實現膝關節假體的個性化設計與定制化加工制造。

激光選區熔化技術作為一種新型加工技術，發展已日趨成熟，并且已被驗證能夠成功應用于生物醫學制造領域。其采用激光高溫加熱使選區內材料完全熔化的方式，逐層堆積實體零件，可以準確成型復雜結構零件，并且成型零件組織致密、精度高。利用激光選區熔化技術作為膝關節假體的新型制造方法，將打破膝關節假體傳統模具鑄造方式，實現膝關節假體的個性化加工制造。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種基于原生骨形態全膝關節置換假體的個性化逆向設計與制造方法。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種全膝關節置換假體的個性化逆向設計與制造方法，其特征在于，包括：

1）基于患者膝關節的醫學影像數據建立股骨和脛骨三維數字化模型的步驟；

2）運用虛擬截骨軟件分別對股骨和脛骨三維數字化模型進行模擬截骨的步驟；

3）逆向設計股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體的CAD模型的步驟；

4）根據上述各假體的CAD模型并通過3D打印技術來制造全膝關節置換假的步驟。

所述步驟1）具體包括：①基于患者膝關節股骨的DICOM格式的CT/MRI斷層掃描圖像，運用醫學影像軟件Mimics，依據軟組織與骨骼在圖像中表現不同的灰度的特點進行圖像分割、修補處理后，進行三維重構以獲得股骨三維數字化模型，并輸出為PLY格式文件；②基于患者膝關節脛骨的DICOM格式的CT/MRI斷層掃描圖像，運用醫學影像軟件Mimics，依據軟組織與骨骼在圖像中表現不同的灰度的特點進行圖像分割、修補處理后，進行三維重構以獲得脛骨三維數字化模型，并輸出為PLY格式文件。

所述步驟2）具體包括：①將股骨三維數字化模型的PLY格式文件導入Geomagic?Studio軟件，首先建立股骨的機械軸，然后在機械軸的垂直面上找到股骨的外科上髁線，以股骨機械軸為Z軸、外科上髁線為X軸，根據右手笛卡爾坐標系定則建立三維坐標系；完成對股骨的定位后，按照全膝置換術的手術方案進行模擬股骨遠端截骨，獲得股骨的截除骨模型和保留骨模型，導出為STL格式文件；②將脛骨三維數字化模型的PLY格式文件導入Geomagic?Studio軟件，首先建立脛骨的機械軸，然后以脛骨機械軸為Z軸、外科上髁線為X軸，根據右手笛卡爾坐標系定則建立三維坐標系；完成對脛骨的定位后，將脛骨后傾7°，脛骨外側平臺下10mm進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，導出為STL格式文件。

所述步驟3）具體包括：①首先依據股骨的截除骨模型，提取股骨遠端曲面形態，保持股骨遠端曲面形態不變進行光順與優化，獲得股骨假體曲面形態；然后依據股骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形態特征，設計股骨假體貼合面特征；最后添加固定結構，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依據脛骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形態特征，設計脛骨假體貼合面特征；然后以脛骨骨髓腔形貌設計釘入物，獲得最終的脛骨置換假體CAD模型；③依據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，設計脛骨墊片形態特征，使其與股骨假體曲面以及脛骨假體結構最佳匹配，獲得最終的脛骨墊片假體CAD模型。