[發(fā)明專利]一種個性化3D打印脊柱側(cè)彎矯形器的設計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010061357.6
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111265351B
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發(fā)明（設計）人: 張明崢;樊瑜波;莫中軍;任韋燕;郭俊超;儲照偉
• 申請（專利權(quán)）人: 國家康復輔具研究中心
• 主分類號: A61F5/01
• 分類號: A61F5/01;B33Y50/00;B33Y80/00;B33Y10/00
• 代理公司: 杭州新源專利事務所(普通合伙) 33234
• 代理人: 鄭雙根

1.一種個性化3D打印脊柱側(cè)彎矯形器的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

①獲取脊柱側(cè)彎患者的CT斷層圖像數(shù)據(jù)，并完成三維建模，獲得患者的側(cè)彎脊柱三維幾何模型和軟組織三維幾何模型，得A脊柱模型和B軟組織模型；

②基于脊柱側(cè)彎患者軀干的二維截面輪廓曲線繪制矯形器的截面輪廓曲線，得C截面輪廓曲線；

③對C截面輪廓曲線進行放樣操作，得到D矯形器曲面模型；

④將D矯形器曲面模型向外拉伸，得到E矯形器模型；

⑤基于骨重建理論，通過有限元方法對E矯形器模型進行密度分布優(yōu)化，得到F矯形器密度分布圖；

⑥基于F矯形器密度分布圖和矯形器三點壓力矯形原理，對E矯形器模型進行減重設計，得G矯形器模型；

⑦對G矯形器模型進行背部開口，并在開口兩側(cè)開設用于安裝矯形器束帶的矩形孔，得H矯形器模型；

⑧將H矯形器模型、A脊柱模型和B軟組織模型一同導入有限元軟件中進行有限元生物力學仿真評價，對于評價不好的H矯形器模型，返回步驟②中重新繪制，對于評價良好的H矯形器模型，作為最終模型通過3D打印得到成品矯形器；

所述步驟②中脊柱側(cè)彎患者軀干的二維截面輪廓曲線包括骨盆區(qū)域處的矯形器二維截面輪廓曲線和脊柱區(qū)域處的矯形器二維截面輪廓曲線；

所述骨盆區(qū)域處的矯形器二維截面輪廓曲線為三條，所述脊柱區(qū)域處的矯形器二維截面輪廓曲線為十三條；

所述骨盆區(qū)域處的矯形器二維截面輪廓曲線的繪制方法是在B軟組織模型上作三個等距且平行于水平面的繪制平面，該繪制平面與骨盆區(qū)域處的B軟組織模型相交且平分該區(qū)域，繪制平面和骨盆區(qū)域處的B軟組織模型在相交位置的曲線為骨盆區(qū)域處的矯形器二維截面輪廓曲線；所述脊柱區(qū)域處的矯形器二維截面輪廓曲線的繪制方法是在第五胸椎到第五腰椎之間的十三節(jié)椎體的中心作平行于水平面的十三個平面，該十三個平面與B軟組織模型在相交后形成十三條相交曲線，然后對十三條相交曲線進行平移和旋轉(zhuǎn)后得到脊柱區(qū)域處的矯形器二維截面輪廓曲線；

所述相交曲線的具體平移方法是在該相交曲線的所在截面中，以椎體中心和該截面的交點為起點，以骶骨中垂線與該截面的交點為終點，將相交曲線從起點平移至終點；所述相交曲線的具體旋轉(zhuǎn)方法是將相交曲線以骶骨中垂線作為中心線進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為相交曲線在背部最后緣兩點連線與兩側(cè)髂后上棘連線間的夾角。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種個性化3D打印脊柱側(cè)彎矯形器的設計方法，其特征在于：所述步驟⑧中的H矯形器模型在返回步驟②中重新繪制時，對相交曲線的旋轉(zhuǎn)角度和平移幅度進行調(diào)整，調(diào)整過程中保持相交曲線的平移方向不變。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種個性化3D打印脊柱側(cè)彎矯形器的設計方法，其特征在于：所述步驟④中D矯形器曲面模型的向外拉伸距離為4～8mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種個性化3D打印脊柱側(cè)彎矯形器的設計方法，其特征在于，所述步驟⑥中E矯形器模型的具體減重方法為：

(6.1)基于矯形器三點壓力矯形原理，對E矯形器模型在側(cè)彎脊柱凹側(cè)頂椎區(qū)域開設大孔作為應力釋放區(qū)，并對E矯形器模型在側(cè)彎脊柱凸側(cè)腋下區(qū)域和骨盆區(qū)域部分去除，同時保留E矯形器模型在側(cè)彎脊柱凸側(cè)頂椎區(qū)域部分，得e1矯形器模型；

(6.2)基于F矯形器密度分布圖，對e1矯形器模型在低密度區(qū)開設小孔，該低密度區(qū)為密度小于e1矯形器模型平均密度五分之一的區(qū)域，得G矯形器模型。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種個性化3D打印脊柱側(cè)彎矯形器的設計方法，其特征在于：所述步驟⑧中的評價方法以軟組織應力和Cobb角矯正量作為評價指標，當Cobb角矯正量低于百分之十或軟組織應力超過安全范圍時，認為評價不好。