用于全膝置換術的膝關節股骨假體的設計方法及制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的設計方法及制造方法，設計方法包括下述步驟：S11、基于正常中國人的醫學圖像DICOM格式的CT斷層掃描數據，運用醫學圖像軟件Mimics建立股骨的三維數字模型，輸出為PLY格式文件；S12、將數字化股骨模型PLY文件導入Geomagic?Studio軟件，建立三維坐標系，利用測量工具進行假體設計相關幾何參數采集；S13、對采集的數據利用統計學軟件進行統計學分析，利用三維作圖軟件畫出膝關節股骨假體的實體模型。本發明的特點表現為男性和女性分別有一系列不同型號的股骨假體，能夠滿足國人男性和女性不同的膝關節股骨骨骼解剖形態特點，提高假體與膝關節的匹配性。
【專利說明】用于全膝置換術的膝關節股骨假體的設計方法及制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及全膝置換的【技術領域】，特別涉及一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的設計方法及制造方法。
【背景技術】
[0002]骨性關節炎(osteoarthritis, 0A)是一種以關節軟骨的變性、破壞及骨質增生為特征的慢性關節病，已成為中老年人慢性殘障的最常見的原因之一，而膝關節則是骨關節退變的常見部位。全膝人工關節置換術是一種非常成熟、廣泛應開展的骨科手術，已經成為治療晚期骨關節病的有效手段。
[0003]另外，3D打印技術近年來已成為制造業的重大技術進步之一，并已經成功開拓出在醫學應用方面的研究領域。激光選區熔化技術所具有的快速性、準確性及快速制造復雜形狀工件的特點使其適合用于制造具有多樣復雜形狀的膝關節假體。激光選區熔化技術實質為增材制造、堆積成型，結合通過醫學圖像處理技術以及逆向工程技術得到的模型數據，通過醫學生物材料的層層熔化和堆積來制造零件，再通過后處理技術，如噴砂、拋光，就可以得到用于手術的膝關節假體。
[0004]研究表明，不同種族的人群、同一種族的男性和女性的膝關節的解剖形態均具有一定的差異。目前，我國市場上使用的膝關節假體絕大部分來自歐美生產商或者是國內效仿歐美的生產商，這些假體以歐美人群的膝關節解剖形態為基礎設計的，不適合亞洲人。并且，這些假體也沒有考慮到男性與女性膝關節解剖形態差異，男性、女性應用形態相同的假體。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中國人膝關節形態匹配的性別差異假體，提高手術效果，減少并發癥。
【發明內容】
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[0005]本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種適用于治療晚期骨關節病的全膝置換手術使用的人工膝關節股骨假體的數字化設計方法。
[0006]本發明的另一目的在于，提供一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的制造方法。
[0007]為了達到上述第一目的，本發明采用以下技術方案:
[0008]一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的設計方法，包括下述步驟:
[0009]S11、基于正常中國人的醫學圖像DICOM格式的CT斷層掃描數據，運用醫學圖像軟件Mimics建立股骨的三維數字模型，輸出為PLY格式文件；
[0010]S12、將數字化股骨模型PLY文件導入Geomagic Studio軟件，建立三維坐標系，模擬全膝置換術手術過程進行股骨遠端截骨，利用測量工具進行假體設計相關幾何參數采集;
[0011]S13、對采集的數據利用統計學軟件進行統計學分析，確定不同性別、不同型號膝關節股骨假體的幾何特征參數，利用三維作圖軟件畫出膝關節股骨假體的實體模型。
[0012]優選的，步驟Sll中，運用醫學圖像軟件Mimics建立股骨的三維數字模型具體為:運用醫學影像軟件Mimicsl0.01，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，建立膝關節股骨骨骼的數字化模型。
[0013]優選的，步驟S12具體為:將股骨骨骼模型PLY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，以骨骼機械軸為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；完成了對骨骼的定位后，按照全膝置換術的手術方案和程序進行模擬截骨，包括股骨遠端截骨、股骨前髁截骨、股骨后髁截骨、前斜面截骨和后斜面截骨。
[0014]優選的，步驟S12中，所述幾何采集參數包括測量參數:內外徑、前后徑、前方內側截骨厚度、前方外側截骨厚度、前方內側高度、前方外側高度、后方內側截骨厚度、后方外側截骨厚度、內后髁高度、外后髁高度、髁間窩寬度、髁間窩高度、內側髁寬度、外側髁寬度、股骨髁前部寬和股骨髁前斜面寬。
[0015]為了達到上述第二發明目的，本發明采用以下技術方案:
[0016]一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的制造方法，包括下述步驟:
[0017]S21、將所設計的股骨假體模型文件導入快速成型輔助軟件Materialise Magics中進行處理，包括擺放定位、添加支撐、分層，并保存文件為STL格式；
[0018]S22、將分層文件導入RPPath軟件中進行掃描方式選擇及掃描間距的設置，得到二維信息數據后導入到快速成型系統，通入惰性氣體，進行激光選區熔化的3D打印制造；
[0019]S23、利用柔性鋪粉機構將粉末平整的鋪于基板上，然后激光在計算機控制下按照模型分層后的二維數據進行掃描，粉末熔化后凝結在下一層基體上，然后成型缸下降粉料缸上升，鋪粉系統再次送粉、鋪粉、熔`化粉末，重復此過程，直到制造完成；
[0020]S24、取出3D打印的股骨假體試件，實施后處理如噴砂、拋光等，完成膝關節股骨假體成品的3D制造。
[0021]優選的，步驟S21中，分層厚度為0.025~0.04mm。
[0022]優選的，步驟S22中，所述惰性氣體為氨氣或氬氣。
[0023]優選的，步驟S23中，所述粉末為不銹鋼粉末和鈷鉻合金粉末的混合物。
[0024]優選的，所述3D打印制造方法的工藝參數如下:加工層厚0.025~0.04mm,掃描速度400~800mm/s，激光功率140~180W，掃描間距0.06~0.1_。
[0025]本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果:
[0026]1、本發明的特點表現為男性和女性分別有一系列不同型號的股骨假體，能夠滿足國人男性和女性不同的膝關節股骨骨骼解剖形態特點，提高假體與膝關節的匹配性。
[0027]2、本發明采用3D打印技術制造膝關節股骨假體，打破了傳統的鑄造工藝及五軸數控加工工藝具有的精度不高、加工周期長、造價昂貴等不利因素，開創出一種新型醫學制造領域，不僅適合加工復雜結構零件，且加工周期短，非常適合小批量的個性化量身定制，也顯示出個性化成為未來的人工假體發展方向的可行性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明的流程圖。[0029]圖2是股骨遠端截骨后示意圖。
[0030]圖3是股骨后髁截骨后示意圖。
[0031]圖4是股骨前髁截骨后示意圖。
[0032]圖5是股骨前斜面截骨后示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0034]實施例
[0035]參照圖1所示，本實施例用于全膝置換術的膝關節股骨假體的設計方法，包括下述步驟:
[0036]1、基于正常中國人的醫學圖像DICOM格式的CT斷層掃描數據，運用醫學影像軟件Mimicsl0.01，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，建立膝關節股骨骨骼的數字化模型，輸出為PLY格式文件；
[0037]2、將股骨骨骼模型PLY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，以骨骼機械軸為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；完成了對骨骼的定位后，按照全膝置換術的手術方案和程序進行模擬截骨，包括股骨遠端截骨(如圖2所示)、股骨后髁截骨(如圖3所示)、股骨前髁截骨(如圖4所示)、前斜面截骨(如圖5所示)。截骨完成后進行假體設計相關幾何參數的采集 ，包括測量參數:內外徑、前后徑、前方內側截骨厚度、前方外側截骨厚度、前方內側高度、前方外側高度、后方內側截骨厚度、后方外側截骨厚度、內后髁高度、外后髁高度、髁間窩寬度、髁間窩高度、內側髁寬度、外側髁寬度、股骨髁前部寬、股骨髁前斜面寬。
[0038]3、對采集的數據利用統計學軟件SPSS分別進行統計學分析，得到不同性別、不同型號的股骨假體的幾何形狀參數，利用三維作圖軟件畫出假體的實體模型。
[0039]如圖1所示，本實施例用于全膝置換術的膝關節股骨假體的制造方法，該方法是基于的3D打印激光選區熔化技術，具體包括下述步驟:
[0040]4、將所設計的股骨假體模型文件導入快速成型輔助軟件Materialise Magics中進行處理，包括擺放定位、添加支撐、分層，分層厚度為0.025~0.04mm，本實施例中優選為
0.035mm，保存文件為STL格式；
[0041]5、將分層文件導入RPPath軟件中選擇掃描方式為正交掃描及掃描間距設置為0.06~0.1mm,本實施例中優選為0.08mm,得到二維信息數據后導入到快速成型系統Dimel-100，通入惰性氣體氮氣，進行激光選區熔化的3D打印制造，過程為:柔性鋪粉機構將316L粉末平整地鋪于基板上，然后激光在計算機控制下按照模型分層后的二維數據進行掃描，粉末熔化后凝結在下一層基體上，然后成型缸下降粉料缸上升，鋪粉系統再次送粉、鋪粉，熔化粉末，重復此過程，直到制造完成；
[0042]7、取出完成的股骨假體試件，實施后處理如噴砂、拋光等，制備成膝關節股骨假體成品。
[0043]所述的激光選區熔化制造，其基本工藝參數為:加工層厚0.025~0.04mm,本實施例中優選為0.035mm，掃描速度400~800mm/s，本實施例中優選為700mm/s，激光功率140~180W，本實施例中優選為160W。此步驟中的工藝參數不是固定要求，可以按照快速成型加工環境變化進行調整。
[0044]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含·在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的設計方法，其特征在于，包括下述步驟: S11、基于正常中國人的醫學圖像DICOM格式的CT斷層掃描數據，運用醫學圖像軟件Mimics建立股骨的三維數字模型，輸出為PLY格式文件； S12、將數字化股骨模型PLY文件導入GeomagicStudio軟件，建立三維坐標系，模擬全膝置換術手術過程進行股骨遠端截骨，利用測量工具進行假體設計相關幾何參數采集； S13、對采集的數據利用統計學軟件進行統計學分析，確定不同性別、不同型號膝關節股骨假體的幾何特征參數，利用三維作圖軟件畫出膝關節股骨假體的實體模型。
2.根據權利要求1所述的一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的設計方法，其特征在于，步驟Sll中，運用醫學圖像軟件Mimics建立股骨的三維數字模型具體為:運用醫學影像軟件Mimicsl0.01，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，建立膝關節股骨骨骼的數字化模型。
3.根據權利要求1所述的一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的設計方法，其特征在于，步驟S12具體為:將股骨骨骼模型PLY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，以骨骼機械軸為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；完成了對骨骼的定位后，按照全膝置換術的手術方案和程序進行模擬截骨，包括股骨遠端截骨、股骨前髁截骨、股骨后髁截骨、前斜面截骨和后斜面截骨。
4.根據權利要求3所述的一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的設計方法，其特征在于，步驟S12中，所述幾何采集參數包括測量參數:內外徑、前后徑、前方內側截骨厚度、前方外側截骨厚度、前方內側高度、前方外側高度、后方內側截骨厚度、后方外側截骨厚度、內后髁高度、外后髁高度、髁間窩寬度、髁間窩高度、內側髁寬度、外側髁寬度、股骨髁前部寬和股骨媒前斜面寬。
5.一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的制造方法，其特征在于，包括下述步驟: S21、將所設計的股骨假體模型文件導入快速成型輔助軟件MaterialiseMagics中進行處理，包括擺放定位、添加支撐、分層，并保存文件為STL格式； S22、將分層文件導入RPPath軟件中進行掃描方式選擇及掃描間距的設置，得到二維信息數據后導入到快速成型系統，通入惰性氣體，進行激光選區熔化的3D打印制造； S23、利用柔性鋪粉機構將粉末平整的鋪于基板上，然后激光在計算機控制下按照模型分層后的二維數據進行掃描，粉末熔化后凝結在下一層基體上，然后成型缸下降粉料缸上升，鋪粉系統再次送粉、鋪粉、熔化粉末，重復此過程，直到制造完成； S24、取出3D打印的股骨假體試件，實施后處理如噴砂、拋光，完成膝關節股骨假體成品的3D制造。
6.根據權利要求5所述的一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的制造方法，其特征在于，步驟S21中，分層厚度為0.025~0.04mm。
7.根據權利要求5所述的一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的制造方法，其特征在于，步驟S22中，所述惰性氣體為氨氣或氬氣。
8.根據權利要求5所述的一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的制造方法，其特征在于，步驟S23中，所述粉末為不銹鋼粉末和鈷鉻合金粉末的混合物。
9.根據權利要求5-8中任一項所述的一種用于全膝置換術的膝關節股骨假體的制造.方法，其特征在于，所述3D打印制造方法的工藝參數如下:加工層厚0.025~0.04mm,掃描速度400~800mm/s，激光功率140~180W，掃描間距0.06~0.1mm。
【文檔編號】A61F2/38GK103584932SQ201310503868
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年10月23日
【發明者】楊永強, 張曼慧, 余家闊, 楊波, 宋長輝 申請人:華南理工大學, 北京大學第三醫院