[發明專利]一種基于3D打印技術的畸形膝關節骨骼模型制作方法

在審

• 申請號: 201710477607.2
• 申請日: 2017-06-21
• 公開（公告）號: CN107320221A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 王素;李凱;徐亮;楊洋洋
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: A61F2/30
• 分類號: A61F2/30;B33Y10/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及醫療技術領域，具有鮮明的醫工結合特色，具體是一種在膝關節手術前基于3D打印技術制作畸形膝關節骨骼模型的方法。

背景技術

骨關節炎(osteoarthritis,OA)，又名骨關節病(osteoarthrosis)，是一種常見的風濕性疾病。骨關節炎影響老年患者的行走、上下樓梯及其他下肢功能，部分嚴重地導致關節功能障礙、關節畸形，甚至導致殘疾。嚴重的骨關節炎患者，需要進行膝關節手術來治療。

傳統膝關節手術之前，術者會通過CT和MIR獲得病人的影像數據，在二維影像上進行術前的設計和規劃。但二維影像還原患者實際病癥的能力有限，存在很多不確定因素，使最初的手術規劃不適合甚至不能完成手術，那么術者就必須在手術進行中重新進行設計規劃。這樣不僅會增加手術時間，增大手術風險，還會降低手術的成功率，更會對患者的身體造成極大的損傷。

傳統的骨骼模型都是通用型指導教學的模型，并不適合情況復雜多樣的手術規劃和預演，而且傳統骨骼模型的制作方法也過于繁復，耗時較長，不能盡快的為術者提供可靠的個性化三維實物模型輔助手術進行。

發明內容

有鑒于此，本發明針對上述問題，提出了一種基于3D打印技術的畸形膝關節骨骼模型制作方法，具體包括如下步驟：

(1)對患者進行連續斷層CT掃描，掃描部位為上至股骨遠端關節面160mm左右，下至股骨遠端關節面50mm左右；

(2)將獲得的影像數據文件導入到交互式醫學圖像處理軟件Mimics中，以無損壓縮方式輸入，對圖像進行二值化和區域增長處理，分割出股骨和脛骨蒙板；

(3)髕骨與脛骨在關節面處有較大的粘連，需要對蒙板在關節面附近進行手動編輯，分割后再利用區域增長與布爾運算分離出單獨的股骨蒙板和脛骨蒙板；

(4)對股骨蒙板和脛骨蒙板進行空腔充填處理，用二進制格式輸出結構完整的病理骨骼模型；

(5)將模型數據導入到逆向工程軟件Geomagic studio 2013中，進行多邊形處理和精確曲面處理，完成NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS)曲面的處理，得到三維病理骨骼數據；

(6)采用熔融堆積成型FDM(Fused Deposition Modeling FDM)的方式3D打印出比例為1:1的病理骨骼型。

步驟(1)中，所述的CT掃描電壓是130KV，掃描電流是300mA，掃描層厚是1mm，掃描層間距是1mm，圖像分辨率是512px*512px。

步驟(2)中，所述的影像數據格式為DICOM 3.0(Digital Imaging and Communication in Medicine 3.0,DICOM 3.0)。

步驟(4)和步驟(5)中，所述的病理骨骼模型數據是STL格式(Standard Template Library,STL)。

步驟(6)中，所述的打印材料是高分子材料PLA(Polylactic Acid,PLA)，其機械性能和物理性能良好。

本發明的有益效果是：

(1)利用CT掃描數據，建立三維CAD模型，1:1比例3D打印出病理骨骼模型，讓術者更加直觀地觀察和了解患者的病況，提高與患者的溝通效果，對手術過程進行最佳規劃，個性化定制最佳的手術方案，減少手術時間，降低手術風險，提高手術的成功率；

(2)1:1比例3D打印病理骨骼模型可以和膝關節手術中的手術器械、關節假體進行匹配，選擇最佳的器械和假體；

(3)3D打印材料PLA是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源(如玉米)所提出的淀粉原料制成，具有良好的生物可降解性，使用后在特定條件下完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環境，是公認的環境友好型材料；

(4)本方法可以舉一反三應用到其它骨骼模型的制作上，對各種骨骼手術的術前規劃預演都有積極的意義。

附圖內容

圖1是本發明方法流程圖；

圖2是FDM打印參數設置圖；

圖3是3D打印病理股骨遠端實物模型圖。

具體實施方式

下面結合附圖具體說明基于3D打印的畸形膝關節骨骼模型制作方法：

1.對患者進行連續斷層CT掃描，掃描體位為患者仰臥位并自然平躺，膝關節自然伸直，髕骨指向正上方，防止旋轉造成的誤差，掃描部位為上至股骨遠端關節面160mm左右，下至股骨遠端關節面50mm左右；