[發(fā)明專利]3D打印的個性化髖臼后柱置釘鉆模及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810169352.8
• 申請日: 2018-02-28
• 公開（公告）號: CN108420530B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡良斌;李必文;譚文甫;尹科;王林超;王凱;蔣忠軍;李麗慧
• 申請（專利權(quán)）人: 南華大學(xué)
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20;A61B34/10;A61B17/17
• 代理公司: 衡陽市科航專利事務(wù)所 43101
• 代理人: 劉政旺

1.3D打印的個性化髖臼后柱置釘鉆模，其特征是：包括呈三角形框架結(jié)構(gòu)的本體，本體包括兩個主定位腳(1)、一個輔定位腳(2)、一面主支撐墻(3)和兩面輔助支撐墻(4)；兩個主定位腳(1)平行且豎直布置并通過主支撐墻(3)連接為一體，輔定位腳(2)與主定位腳(1)平行且豎直布置并與兩個主定位腳(1)之間各通過一面輔助支撐墻(4)連接為一體；兩個主定位腳(1)下端均設(shè)有用于定位的骨貼合面；輔定位腳(2)下端設(shè)有用于定位的骨貼合面；主支撐墻(3)呈不規(guī)則多邊形結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有貫穿其內(nèi)外兩個表面的導(dǎo)向鉆模通道(31),其與兩個主定位腳(1)的連接處的下端分別設(shè)有髂骨翼避空倒角(32)；

主支撐墻(3)與兩個主定位腳(1)的連接處的上端分別設(shè)有減重倒角(33)；輔助支撐墻(4)呈拱形墻，其下端設(shè)有弧形缺口(41)；

主支撐墻(3)的內(nèi)外兩個表面上分別設(shè)有前凸臺(34)和后凸臺(35)，導(dǎo)向鉆模通道(32)的兩端開口分別貫穿前凸臺(34)和后凸臺(35)；

輔定位腳(2)下端呈從上至下直徑漸縮的錐臺形，其下端徑向截面直徑為4～6mm；主定位腳(1)下端呈圓柱形，其下端徑向截面直徑為11～13mm；

兩個主定位腳(1)下端的骨貼合面分別與目標(biāo)髖骨(5)髂結(jié)節(jié)標(biāo)志點(51)部位的表面輪廓、臀后線角點(52)部位的表面輪廓貼附吻合；當(dāng)兩個主定位腳(1)下端的骨貼合面與目標(biāo)髖骨(5)貼附吻合時，導(dǎo)向鉆模通道(31)的延伸通道穿透目標(biāo)髖骨(5)的區(qū)域被目標(biāo)髖骨(5)后柱區(qū)域最大內(nèi)接圓柱體所包容。

2.一種制備如權(quán)利要求1所述的3D打印的個性化髖臼后柱置釘鉆模的方法，其特征是，包括如下步驟：

S01，獲取目標(biāo)髖骨醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)：調(diào)取患者診斷前的螺旋CT檢查數(shù)據(jù)，選擇手術(shù)區(qū)域目標(biāo)髖骨的數(shù)據(jù)，保存為DICOM文件格式；

S02，獲得目標(biāo)髖骨后柱區(qū)域的中心點點集：將目標(biāo)髖骨的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics，依次使用區(qū)域增長、分割、復(fù)位功能，重建出獨立完整的髖骨3D模型；再使用蒙板編輯功能，沿與髂恥線平行的方向并通過髖臼窩中心，去除髖骨3D模型的前柱，得到只含后柱區(qū)域的髖骨3D模型，將其保存為STL文件格式；最后使用擬合中心線功能，自動擬合出只含后柱區(qū)域的髖骨3D模型的中心點點集，該中心點點集由一系列間距為a的離散點組成，將該點集保存為IGS文件格式；

本步驟中，a的取值區(qū)間為0.01mm～0.1mm；

S03，確定目標(biāo)髖骨后柱最大內(nèi)接圓柱體：

a、將只含后柱區(qū)域的髖骨3D模型及其中心點點集數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入逆向工程軟件Imageware中，根據(jù)置釘需要截取出目標(biāo)髖骨后柱區(qū)域的中心點點集；

b、再應(yīng)用直線擬合功能，創(chuàng)建出后柱中心點點集的最小二乘直線，該最小二乘直線方向即為目標(biāo)髖骨后柱最大內(nèi)接圓柱體的軸線方向；

c、過髖臼窩中心點作垂直于最小二乘直線方向的正截面；以該正截面為中間平面，沿最小二乘直線方向，在后柱區(qū)域全長范圍，向該正截面的兩端各作出n個等距的平行平面；

d、提取這2n+1個正截面的外輪廓線，將其沿最小二乘直線方向在最靠近坐骨的最外側(cè)正截面上進行投影，這些投影疊加后其內(nèi)部會形成一個封閉區(qū)間；

e、作出該封閉區(qū)域的最大內(nèi)接圓，該最大內(nèi)接圓的直徑即為目標(biāo)髖骨后柱最大內(nèi)接圓柱體的直徑；

本步驟中，n≥5；

S04，初選接骨螺釘外徑并確定對應(yīng)的置釘通道中軸線：

a、以x+y為偏距值向內(nèi)作出所述最大內(nèi)接圓柱體的同軸圓柱體，以同軸圓柱體的包容區(qū)域作為置釘通道的安全調(diào)控范圍；找出最大內(nèi)接圓柱體的中軸線與目標(biāo)髖骨后柱表面輪廓的2個交點A1、A2，找出最大內(nèi)接圓柱體上距髂骨翼最遠的母線與目標(biāo)髖骨表面輪廓在入口處的交點B；

b、以A1、A2、B確定出一個平面，并以該平面截出同軸圓柱體的輪廓點云，依據(jù)輪廓點云在該平面上繪出同軸圓柱體的兩條母線L1和L2，再分別過A1、A2作垂直于L1、L2的直線，由此形成一個矩形，作出該矩形的最小外接圓；

c、在醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準YY0018-2002中按從大到小的順序初選出尺寸較大但小于同軸圓柱體直徑的接骨螺釘外徑d1，以矩形近B點側(cè)的上角點為圓心、以d1為半徑作弧，弧線與矩形的最小外接圓相交于C點；連接矩形遠B點側(cè)的下角點與C點，形成直線L3，直線L3為外徑d1接骨螺釘對應(yīng)的置釘通道的母線，并據(jù)置釘通道的母線確定其中軸線；

本步驟中，所述入口處為最大內(nèi)接圓柱體沿進釘方向與目標(biāo)髖骨外輪廓的交匯處；

本步驟中，x為髖臼后柱區(qū)域皮質(zhì)骨厚度的統(tǒng)計值；y為3D打印的個性化髖臼后柱置釘鉆模的鉆孔偏距，y的取值區(qū)間為0.3～0.5mm；

S05，通過向下遞減的方式調(diào)控接骨螺釘外徑解決鉆模的導(dǎo)向鉆模通道與髂骨翼可能發(fā)生干涉的問題：根據(jù)初選的接骨螺釘外徑d1，計算接骨螺釘螺紋底孔直徑d2；沿置釘通道中軸線方向建立目標(biāo)髖骨后柱底孔鉆削通道，將底孔鉆削通道延伸，分析其作為鉆模的導(dǎo)向鉆模通道是否與髂骨翼發(fā)生干涉；

如不發(fā)生干涉，則進入S06步驟；

如發(fā)生干涉，則依次按照以下分步驟進行處理：

a，在醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準YY0018-2002中選擇相對于初選的接骨螺釘外徑d1小一號的接骨螺釘；

b，重復(fù)S04步驟，以重新確定置釘通道中軸線，使得置釘通道中軸線與髂骨翼表面的夾角增加；

c，再沿重新確定的置釘通道中軸線方向建立目標(biāo)髖骨后柱底孔鉆削通道；將底孔鉆削通道延伸，分析其作為鉆模的導(dǎo)向鉆模通道是否與髂骨翼發(fā)生干涉；

d、如不發(fā)生干涉，則進入S06步驟，如仍發(fā)生干涉，則選擇相對于a分步驟中更小一號的接骨螺釘，再重復(fù)b、c分步驟，如此不斷調(diào)控，直至不發(fā)生干涉，則進入S06步驟；

本步驟完成時，調(diào)控選取的接骨螺釘外徑為d3；

S06，通過向下遞減的方式進一步調(diào)控接骨螺釘外徑以滿足置釘鉆模設(shè)計制造及使用需要：依據(jù)S05步驟最終調(diào)控選取的接骨螺釘所對應(yīng)的置釘通道的延伸通道與髂骨翼表面的間隙大小，進一步分析鉆模設(shè)計制造及使用的可行性；

若所述間隙大小能保證導(dǎo)向鉆模通道的各處壁厚均≥3mm，則以S05步驟調(diào)控選取的接骨螺釘外徑d3作為最終選定的接骨螺釘外徑，并進入S07步驟；

若所述間隙大小不能保證導(dǎo)向鉆模通道的各處壁厚均≥3mm，則依次按照以下分步驟進行處理：

a、在醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準YY0018-2002中選擇相對于S05步驟調(diào)控選取的接骨螺釘外徑d3至少小一號的接骨螺釘；

b、重復(fù)S04步驟，以重新確定置釘通道中軸線，使得置釘通道中軸線與髂骨翼表面的夾角增加，置釘通道的延伸通道與髂骨翼表面的間隙增大；

c、分析重新確定的置釘通道的延伸通道與髂骨翼表面的間隙大小是否能保證導(dǎo)向鉆模通道的各處壁厚均≥3mm；

d、若間隙大小滿足上述條件，則進入S07步驟，若間隙大小仍不能滿足上述條件，則選擇相對于a分步驟中更小一號的接骨螺釘，再重復(fù)b、c分步驟，如此不斷調(diào)控，直至滿足上述條件，則進入S07步驟；

本步驟完成時，調(diào)控選取的接骨螺釘外徑為d4；

S07，建立個性化髖臼后柱置釘鉆模的三維模型：

a、依據(jù)S06步驟調(diào)控選取的接骨螺釘外徑d4及其置釘通道中軸線,建立目標(biāo)髖骨的后柱底孔鉆削通道，將其保存為STL文件格式；

b、將完整的目標(biāo)髖骨3D模型及后柱底孔鉆削通道文件導(dǎo)入PRO/E或Solidworks中；根據(jù)目標(biāo)髖骨的具體形態(tài)、目標(biāo)髖骨的尺寸及目標(biāo)髖骨與后柱底孔鉆削通道的位置關(guān)系，建立個性化髖臼后柱置釘鉆模的結(jié)構(gòu)模型，將其保存為STL文件格式，為保證導(dǎo)向鉆模通道建立的精度與效率，該結(jié)構(gòu)模型中暫不包含導(dǎo)向鉆模通道；

c、再將該結(jié)構(gòu)模型、完整的髖骨3D模型及后柱底孔鉆削通道文件導(dǎo)入至Mimics中，將三者進行空間位置匹配后，利用布爾運算在兩個主定位腳及一個輔定位腳的下端生成目標(biāo)髖骨定位面的反向骨貼合面，在主支撐墻上生成導(dǎo)向鉆模通道，即完成個性化髖臼后柱置釘鉆模三維模型的建立；

S08，3D打印制備個性化髖臼后柱置釘鉆模：將在Mimics中生成的STL格式的個性化髖臼后柱置釘鉆模三維模型文件導(dǎo)入至3D打印切層軟件中，3D打印制備出個性化髖臼后柱置釘鉆模；同時打印出目標(biāo)髖骨的3D模型，便于醫(yī)生術(shù)前試驗與評估。