[發(fā)明專利]一種個(gè)性化3D打印脊柱側(cè)彎矯形器的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010061357.6
• 申請(qǐng)日: 2020-01-19
• 公開（公告）號(hào): CN111265351B
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張明崢;樊瑜波;莫中軍;任韋燕;郭俊超;儲(chǔ)照偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 國(guó)家康復(fù)輔具研究中心
• 主分類號(hào): A61F5/01
• 分類號(hào): A61F5/01;B33Y50/00;B33Y80/00;B33Y10/00
• 代理公司: 杭州新源專利事務(wù)所(普通合伙) 33234
• 代理人: 鄭雙根

本發(fā)明公開了一種個(gè)性化3D打印脊柱側(cè)彎矯形器的設(shè)計(jì)方法,包括以下步驟：先獲取患者的側(cè)彎脊柱并進(jìn)行三維建模，得到側(cè)彎脊柱模型和軟組織模型，然后基于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；再對(duì)截面輪廓曲線進(jìn)行放樣操作和向外拉伸得到矯形器模型；再對(duì)矯形器模型進(jìn)行密度分布優(yōu)化后得到矯形器密度分布圖；基于矯形器密度分布圖對(duì)矯形器模型進(jìn)行減重設(shè)計(jì)和背部開口，得矯形器模型；最后將矯形器模型、脊柱模型和軟組織模型一同導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行有限元生物力學(xué)仿真評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)不好的矯形器模型重新繪制，評(píng)價(jià)良好的H矯形器模型作為最終模型。本發(fā)明具有制作要求低、矯形效果的一致性高和舒適性好的特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種脊柱側(cè)彎矯形器的設(shè)計(jì)方法，特別是一種個(gè)性化3D打印脊柱側(cè)彎矯形器的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

脊柱側(cè)彎是一種常見(jiàn)的脊柱畸形疾病，其臨床表現(xiàn)為脊柱在冠狀面上向側(cè)方彎曲，常伴有矢狀面的異常及軸向旋轉(zhuǎn)畸形。國(guó)際脊柱側(cè)彎學(xué)會(huì)規(guī)定，在冠狀面，Cobb角大于10度即可認(rèn)定為脊柱側(cè)彎。目前對(duì)治療脊柱側(cè)彎的治療方法主要分為觀察法、矯形器治療和手術(shù)治療。其中觀察法主要用于輕度脊柱側(cè)彎患者(Cobb角20度)，矯形器治療主要用于輕、中度的脊柱側(cè)彎患者(Cobb角在20度到45度)，而手術(shù)治療主要用于重度脊柱側(cè)彎患者(Cobb角45度)以及矯形器治療失敗的患者；但由于手術(shù)治療法存在創(chuàng)傷大，風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題，并常伴有嚴(yán)重并發(fā)癥，往往會(huì)給患者帶來(lái)巨大痛苦。因此，對(duì)于脊柱側(cè)彎患者，在側(cè)彎發(fā)展到重度之前應(yīng)采用矯形器進(jìn)行治療。

矯形器是目前被認(rèn)為唯一有效的治療早期脊柱側(cè)彎的非手術(shù)治療手段。常規(guī)的脊柱側(cè)彎矯形器是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，由產(chǎn)家生產(chǎn)不同尺寸的型號(hào)，患者根據(jù)自己的脊柱形狀選擇合適的型號(hào)進(jìn)行配戴。但這種批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化矯形器僅適用于70％的脊柱側(cè)彎患者，而對(duì)于剩余的脊柱側(cè)彎患者則需要根據(jù)其脊柱形狀設(shè)計(jì)個(gè)性化的脊柱側(cè)彎矯形器。現(xiàn)有的個(gè)性化脊柱側(cè)彎矯形器制作方法通常利用石膏成型法制造出患者的石膏模型，再手工對(duì)石膏模型進(jìn)行修型，最后采用真空低壓成形制造矯形器。這種制作方法需要采用手動(dòng)修型的方式實(shí)現(xiàn)脊柱矯正，從而使矯正效果往往依賴于技師的經(jīng)驗(yàn)，并存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題。此外，該矯形器因設(shè)計(jì)和加工制造工藝的限制還會(huì)存在透氣性差的問(wèn)題，并使用戶在穿戴后會(huì)造成影響呼吸的情況，從而導(dǎo)致用戶的依從性下降，從另一方面降低了矯形器的治療效果。因此，現(xiàn)有對(duì)脊柱側(cè)彎矯形器的設(shè)計(jì)方法存在制作要求高、矯形效果好壞不一和舒適性差的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提供一種個(gè)性化3D打印脊柱側(cè)彎矯形器的設(shè)計(jì)方法。它具有制作要求低、矯形效果的一致性高和舒適性好的特點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種個(gè)性化3D打印脊柱側(cè)彎矯形器的設(shè)計(jì)方法，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(duì)C截面輪廓曲線進(jìn)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(guò)有限元方法對(duì)E矯形器模型進(jìn)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(diǎn)壓力矯形原理，對(duì)E矯形器模型進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，得G矯形器模型；

⑦對(duì)G矯形器模型進(jìn)行背部開口，并在開口兩側(cè)開設(shè)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(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行有限元生物力學(xué)仿真評(píng)價(jià)，對(duì)于評(píng)價(jià)不好的H矯形器模型，返回步驟②中重新繪制，對(duì)于評(píng)價(jià)良好的H矯形器模型，作為最終模型通過(guò)3D打印得到成品矯形器。