一種基于3d打印機打印頸椎牽引支具的方法
【專利摘要】本發明實施例公開了一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，包括建立患者的頸部3D模型；建立頸部牽引支具模型；模擬頸部牽引支具模型的牽引過程；通過有限元分析法計算頸部牽引支具模型與頸部3D模型的接觸面上每個接觸區域的大小及壓力值，并判斷是否超出預設的壓力閾值范圍；若是，則對頸部牽引支具模型的相應參數進行修正，重新進行有限元分析；若否，則通過3D打印機打印頸椎牽引支具模型。本發明實施例提供的一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，可為患者提供個性化、舒適，且具有較佳牽引效果的頸椎牽引支具。通過有限元分析法可預測牽引效果，精確計算頸椎牽引支具的尺寸與厚度，從而制備具有最佳牽引效果的頸椎牽引支具。
【專利說明】
一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法
技術領域
[0001]本發明涉及醫療器械技術領域，特別是涉及一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法。
【背景技術】
[0002]頸椎牽引是治療寰樞椎半脫位、頸椎生理曲度改變、頸椎間盤突出等頸椎病的有效方法，在牽引治療的過程中，頸椎牽引支具是必不可以的協助器具。目前，常用的頸椎牽引支具包括枕頌帶。圖1為臨床中常用的一種枕頌帶的結構示意圖，如圖1所示，枕頌帶包括頌帶I和枕帶2，頌帶I和枕帶2上相對于耳朵部位處設有一橫向的耳帶3，頌帶I與枕帶2的上部連為一體，并連接一吊帶4，吊帶4的自由端繞過滑輪與掛錘5連接。
[0003]臨床使用時，將枕頌帶套于患者頭部，具體為，頌帶I托住患者下頌、枕帶2托住患者的枕骨粗隆部。根據患者病情，選擇合適重量的掛錘5懸掛于吊帶4的自由端，在掛錘5的重力作用下，患者的頸部受到一個朝向頭頂方向的牽引力。在牽引力的作用下，頸椎與頸部肌肉得到拉伸，解除了頸部肌肉的痙攣，增大了椎間隙和椎間孔，調整了關節錯位和椎體滑落，調節頸椎內外的平衡，從而使頸椎恢復正常的生理功能。
[0004]但是，采用現有技術的枕頌帶進行頸部牽引存在不便攜及治療效果不確定等問題。現有技術的枕頌帶與患者頭頸部貼合，但其自身并不能向患者頭頸部施加牽引力，需要與掛錘、牽引軌道的共同作用(掛錘提供牽引力，牽引軌道限定牽引方向)才可實現頸椎牽弓丨，從而造成牽引過程復雜、牽引醫療器械繁瑣。在牽引過程中，為了防止牽引方向偏離原定牽引方向，患者需長時間的臥床或靜坐，嚴重限制了患者正常的身體活動，給患者的日常生活與工作帶來極大的不便。
[0005]同時，目前使用的枕頌帶多為批量化生產，具有較為固定的尺碼，而人體的頭、頸部尺寸因人而異，且存在較大的個性化差異。因此，在實際臨床中，許多患者佩戴不適宜的枕頌帶，給患者帶來不適感，同時也影響了牽引效果。例如，枕頌帶過緊，則造成患者呼吸、張口困難，或損傷皮膚;枕頌帶過松，頌帶發生下滑壓迫氣管或頸部動脈，若不及時發現，將危及生命。
[0006]此外，現有技術的枕頌帶的牽引效果難以精確的預算。目前，醫者主要依靠經驗對患者的牽引效果進行估算，這常造成矯正效果不佳或影響診療的有效性。
[0007]例如，牽引力的大小是影響牽引效果的關鍵因素，而牽引力的大小受多個因素的影響，例如，掛錘的質量、枕頌帶與人體的接觸面積、人體受力點的位置等，因此，很難精確的計算患者頸部實際的受力大小。若牽引力過大則引起過度牽引，輕者造成椎間盤、關節囊的損傷，重者引起神經根、椎動脈的牽拉刺激，加重頸椎病。若牽拉力過小，則在治療頸椎錯位或骨折時，將達不到復位和固定的目的，造成骨折處畸形愈合。
【發明內容】
[0008]本發明實施例中提供了一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，以解決現有技術中的無法制備佩戴便攜、舒適、具有最佳矯正效果的頸椎牽引支具的問題。
[0009]為了解決上述技術問題，本發明實施例公開了如下技術方案:
[0010]一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，其特征在于，包括:
[0011 ]采集患者頸部的影像學數據；
[0012]根據所述影像學數據，建立患者的頸部3D模型；
[0013]根據所述頸部3D模型，建立頸部牽引支具模型，所述頸部牽引支具模型與頸部3D模型相匹配;模擬頸部牽引支具模型對頸部3D模型的牽引過程，具體為，將所述頸部牽引支具模型卡套于頸部3D模型上，使頸部牽引支具模型的內側與頸部3D模型的外側相抵觸并發生相互作用；
[0014]通過有限元分析法計算頸部牽引支具模型與頸部3D模型的接觸面上每個接觸區域的大小及壓力值，并判斷是否存在接觸區域的壓力值超出預設的壓力閾值范圍；
[0015]若存在接觸區域的壓力值超出預設的壓力閾值范圍，則根據所述接觸區域的壓力值對所述頸部牽引支具模型的相應參數進行修正，重新進行有限元分析；
[0016]若不存在接觸區域的壓力值超出預設的壓力閾值范圍，則通過3D打印機打印所述頸椎牽引支具模型。
[0017]優選地，所述采集患者頸部的影像學數據，具體為，采集患者頸部骨骼及頸部表面的影像學數據。
[0018]優選地，所述根據所述影像學數據，建立患者的頸部3D模型，具體為，根據所述頸部骨骼的影像學數據，建立患者頸部骨骼的3D模型;根據所述頸部表面的影像學數據，建立患者頸部表面的3D模型，將所述頸部骨骼的3D模型與頸部表面的3D模型一體設計，得到頸部3D模型。
[0019]優選地，所述通過有限元分析法計算頸部牽引支具模型與頸部3D模型的接觸面上每個接觸區域的大小及壓力值之前，包括將頸部3D模型進行網格化分處理，形成頸部有限元分析模型。
[0020]優選地，所述頸椎牽引支具模型的相應參數包括高度、厚度等。
[0021]優選地，其特征在于，所述壓力閾值范圍為最佳牽引效果的牽引力范圍，且不大于人體頸部的壓力耐受值上限。
[0022]由以上技術方案可見，本發明實施例提供的一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，利用此方法可為患者提供個性化、舒適，且具有較佳牽引效果的頸椎牽引支具。其結構、尺寸與患者頸部的形狀、尺寸相匹配，使頸椎牽引支與患者的頭頸部舒適貼合，避免傳統頸椎牽引支具因尺寸不合給患者造成的不適感。同時，通過有限元分析法可預測牽引效果，根據其預測結果，精確計算頸椎牽引支具的尺寸與厚度，從而制備具有最佳牽引效果的頸椎牽引支具。
【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領域普通技術人員而言，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為本發明實施例提供的一種為臨床中常用的一種枕頌帶的結構示意圖；
[0025]圖2為本發明實施例提供的一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法的流程示意圖；
[0026]圖1-2中的符號分別表示為:1-頌帶，2-枕帶，3-耳帶，4_吊帶，5_掛錘。
【具體實施方式】
[0027]為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明保護的范圍。
[0028]3D打印技術是一種通過三維數據模型逐層疊加材料而制成物體的制造技術。近年，隨著3D打印與數字醫學技術的發展，3D打印在醫療領域得到廣泛應用，例如制作醫療模型、個性化組織(器官)產品、個性化手術導板、體外用醫療器械等。
[0029]有限元分析法是一種用于分析結構力學的計算方法，應用微分與極限的原理，將一形狀不規則、受力不均勻的物體的內部和邊界分割成有限大小的、有限數目的、離散的單元，即將原本的一個連續體簡化成有限個單元的體系，直觀上，物體被劃分成“網格”狀，在這些單元稱為網格。將此離散化的模型作為真實結構的近似模型，并在這個模型上進行數值計算，當劃分的網格足夠小時，則此數值即可看作物體的真實值。
[0030]為解決現有技術中的用于頸部牽引的枕頌帶佩戴不便攜、不舒適，且其矯正效果無法精確估計的問題，本發明實施例提供一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，利用此方法可為患者提供個性化、舒適、具有較佳牽引效果的頸椎牽引支具。其結構、尺寸與患者頸部的形狀、尺寸相匹配，使頸椎牽引支與患者的頭頸部舒適貼合，避免傳統頸椎牽引支具因尺寸不合給患者造成的不適感。同時，通過有限元分析法可預測牽引效果，根據其預測結果，精確計算頸椎牽引支具的尺寸與厚度，從而制備具有最佳牽引效果的頸椎牽引支具。
[0031]以下結合附圖對本發明實施例提供的一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法進行詳細說明。
[0032]圖2為本發明實施例提供的一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法的流程示意圖，如圖2所示，其包括以下主要步驟:建立患者的頸部3D模型和頸部牽引支具模型;通過有限元分析法模擬頸部牽引支具模型的牽引過程、計算頸部牽引支具模型與頸部3D模型的接觸面上每個接觸區域的大小及壓力值，并判斷是否超出預設的壓力閾值范圍；若是，則對頸部牽引支具模型的相應參數進行修正，將修正后的頸部牽引支具模型重新進行有限元分析，直至不存在接觸區域的壓力值超出預設的壓力閾值范圍，則通過3D打印機打印所述頸椎牽引支具模型。其具體步驟如下:
[0033]步驟S1:采集患者頸部的影像學數據，其中，頸部的影像學數據包括采集患者頸部骨骼正位、側位的影像學數據和采集頸部表面的影像學數據。獲取影像學數據的檢測方式有多種，包括CT、MR1、X-Ray等，本領域的技術人員根據實際需要，可自主選擇合適的測試方式。例如，利用CT三維掃面同時采集頸部骨骼、關節以及皮膚的三維的影像學數據;或利用X-Ray采集頸部骨骼的影像學數據，利用紅外線三維掃描采集頸部表面的影像學數據。
[0034]步驟S2:建立患者的頸部3D模型，其主要思路為，將獲取的影像學數據傳輸至計算機中，根據影像學數據，建立患者的頸部3D模型，其中，頸部模型包括頸部骨骼模型與頸部皮膚模型。目前，建立頸部3D模型的方法有多種，包括利用CAD、MMICS或有限元分析系統等，應當指出，本領域技術人員可根據實際需求選擇合適的建模方式，其均屬于本發明的保護范圍。
[0035]例如，利用CAD建立頸部3D模型，其具體過程為，以X-Ray采集頸部骨骼的影像學數據、為例，首先，根據所述頸部骨骼的影像學數據和頸部表面的影像學數據，分別建立患者頸部骨骼的3D模型和頸部表面的3D模型；然后，將所述頸部骨骼的3D模型與頸部表面的3D模型一體設計，得到頸部骨骼與頸部表面一體的頸部3D模型。在一體設計過程中，將頸部骨骼3D模型與頸部表面3D模型的進行精確的位置匹配，確保合成的頸部3D模型與患者頸部的構造一致。
[0036]在本實施例中，利用有限元分析系統建立頸部3D模型，以CT三維掃面采集的頸部骨骼、關節以及皮膚的影像學數據為例，其具體過程為，將CT三維掃面同步采集的頸部骨骼、關節以及皮膚的影像學數據傳輸至有限元分析系統，有限元分析系統對接收到的影像學數據進行整合處理，得到頸部3D模型。
[0037]步驟S3:建立頸部牽引支具模型，其具體為，頸部3D模型的建立后，根據所建立的頸部3D模型，建立頸部牽引支具模型。其中，為確保頸部牽引支具模型符合患者的實際需求，應當使頸部牽引支具模型與頸部3D模型相匹配，即頸部牽引支具模型的內側與頸部模型的外側相吻合，從而確保頸部牽引支具與患者頸部的舒適貼合。
[0038]為了精確估算頸部牽引支具模型的矯正效果，本實施例中，通過有限元分析法對頸部牽引支具模具進行牽引模擬和矯正效果的評估，其具體為:
[0039]步驟S4:模擬頸部牽引支具模型對頸部3D模型的牽引過程，具體為，將所述頸部3D模型嵌套在所述頸部牽引支具模型內部，使所述頸部模型的外側與所述頸部牽引支具模型的內側相抵觸；
[0040]步驟S5:計算頸部牽引支具模型與頸部3D模型的接觸面上每個接觸區域的大小及壓力值，具體為，
[0041]第一步:將頸部3D模型進行網格化分處理，形成頸部有限元分析模型。本領域技術人員可根據頸部3D模型的尺寸，設置合適的網格劃分屬性，一般情況下，網格劃分越密集，預測過程越精確、預測值也越接近真實值；
[0042]第二步:通過有限元分析，計算頸部牽引支具與頸椎皮膚接觸面上每個接觸區域的大小以及壓力值。例如，對下頌骨、枕骨、頸椎椎體、頸椎間盤及頸椎皮膚軟組織等進行有限元分析，計算下頌骨、枕骨、頸椎椎體、頸椎間盤及頸椎皮膚軟組織受到的壓力值大小，計算頸部牽引支具與頸椎皮膚的接觸面的大小。
[0043]步驟S6:判斷是否存在接觸區域的壓力值超出預設的壓力閾值范圍，具體為，依次對下頌骨、枕骨、頸椎椎體、頸椎間盤及頸椎皮膚軟組織等各個區域的壓力值是否超出預設的壓力閾值范圍，即是否處于最佳矯正效果的牽引力范圍內。
[0044]其中，關于壓力閾值范圍的預設，在牽引過程中，一般壓力越大則矯正效果越好，但是，壓力越大則人體的舒適度越差，且人體存在壓力耐受值上限(人體頸部的壓力耐受值上限為35kPa)，若超過此上限，則對人體皮膚造成不必要的損傷，如皮膚會出現壓痕。因此，壓力閾值范圍的選擇需要同時兼顧牽引效果和患者的舒適度兩個因素。根據患者的病情，醫者選擇適合的最佳牽引效果的牽引力范圍，同時考慮人體頸部的壓力耐受值，最終，確定壓力閾值范圍。例如，某患者為中度頸椎生理曲度變直，則壓力閾值范圍為25kPa-35kPa。
[0045]步驟S61:若是，則對所述頸部牽引支具模型進行修正，重新進行有限元分析。其具體為，若存在接觸區域的壓力值超出預設的壓力閾值，則對所述頸部牽引支具模型的相應參數進行修正，頸部牽引支具模型修正后，將修正后的頸部牽引支具模型重新進行有限元分析，直至不存在接觸區域的壓力值超出預設的壓力閾值。
[0046]其中，頸椎牽引支具模型的相應參數包括高度、厚度等。例如，若頸椎椎體所受的壓力值大于預設的壓力閾值范圍，則相應的減小頸部牽引支具的高度;若頸椎椎體所受的壓力值小于預設的壓力閾值范圍，則相應的增大頸部牽引支具的高度。
[0047]若頸部牽引支具與頸椎皮膚接觸面上的壓力值大于預設的壓力閾值范圍，則增大頸部牽引支具的內側尺寸，從而增加頸部牽引支具與頸椎皮膚的接觸面積，進而減小頸椎皮膚受到的壓力。若頸部牽引支具與頸椎皮膚接觸面上的壓力值小于預設的壓力閾值范圍，則減小頸部牽引支具的內側尺寸，從而減小頸部牽引支具與頸椎皮膚的接觸面積，進而增大頸椎皮膚受到的壓力。
[0048]若頸部某個小區域內的壓力不適宜，則對應的調整頸部牽引支具上相應位置的厚度，壓力過大，則減小頸部牽引支具相應位置上的厚度，壓力過小，則增加頸部牽引支具相應位置上的厚度。
[0049]步驟S62:若否，通過3D打印機打印所述頸椎牽引支具模型。具體為，若不存在接觸區域的壓力值超出預設的壓力閾值范圍，即下頌骨、枕骨、頸椎椎體、頸椎間盤及頸椎皮膚軟組織等各個區域的壓力值均處于最佳矯正效果的牽引力范圍內，則通過3D打印機打印所述頸椎牽引支具模型。
[0050]將打印出的頸部牽引支具固定于患者的下頌骨與鎖骨之間，不同與傳統枕頌帶需要掉錘提供牽引力，本實施例制備的頸部牽引支具自身便可對患者頸部產生一沿頸部方向的牽引力，且通過調節頸部牽引支具的高度，即可調節牽引力大。頸部牽引支具結構簡單，使用過程便攜，易于廣泛的推廣使用。
[0051]本發明可以在由計算機執行的計算機可執行指令的一般上下文中描述，例如程序模塊。一般地，程序模塊包括執行特定任務或實現特定抽象數據類型的例程、程序、對象、組件、數據結構等等。也可以在分布式計算環境中實踐本發明，在這些分布式計算環境中，由通過通信網絡而被連接的遠程處理設備來執行任務。在分布式計算環境中，程序模塊可以位于包括存儲設備在內的本地和遠程計算機存儲介質中。
[0052]以上所述僅是本發明的【具體實施方式】，使本領域技術人員能夠理解或實現本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
[0053]以上所述僅是本發明的【具體實施方式】，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，其特征在于，包括: 采集患者頸部的影像學數據； 根據所述影像學數據，建立患者的頸部3D模型； 根據所述頸部3D模型，建立頸部牽引支具模型，所述頸部牽引支具模型與頸部3D模型相匹配;模擬頸部牽引支具模型對頸部3D模型的牽引過程，具體為，將所述頸部牽引支具模型卡套于頸部3D模型上，使頸部牽引支具模型的內側與頸部3D模型的外側相抵觸并發生相互作用； 通過有限元分析法計算頸部牽引支具模型與頸部3D模型的接觸面上每個接觸區域的大小及壓力值，并判斷是否存在接觸區域的壓力值超出預設的壓力閾值范圍； 若存在接觸區域的壓力值超出預設的壓力閾值范圍，則根據所述接觸區域的壓力值對所述頸部牽引支具模型的相應參數進行修正，重新進行有限元分析； 若不存在接觸區域的壓力值超出預設的壓力閾值范圍，則通過3D打印機打印所述頸椎牽引支具模型。2.根據權利要求1所述的基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，其特征在于，所述采集患者頸部的影像學數據，具體為，采集患者頸部骨骼及頸部表面的影像學數據。3.根據權利要求1所述的基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，其特征在于，所述根據所述影像學數據，建立患者的頸部3D模型，具體為，根據所述頸部骨骼的影像學數據，建立患者頸部骨骼的3D模型;根據所述頸部表面的影像學數據，建立患者頸部表面的3D模型，將所述頸部骨骼的3D模型與頸部表面的3D模型一體設計，得到頸部3D模型。4.根據權利要求1所述的基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，其特征在于，所述通過有限元分析法計算頸部牽引支具模型與頸部3D模型的接觸面上每個接觸區域的大小及壓力值之前，包括將頸部3D模型進行網格化分處理，形成頸部有限元分析模型。5.根據權利要求1所述的基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，其特征在于，所述頸椎牽引支具模型的相應參數包括高度、厚度等。6.根據權利要求1所述的基于3D打印機打印頸椎牽引支具的方法，其特征在于，所述壓力閾值范圍為最佳牽引效果的牽引力范圍，且不大于人體頸部的壓力耐受值上限。
【文檔編號】A61H1/02GK105943228SQ201610560254
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月15日
【發明人】謝雁春, 于海龍
【申請人】謝雁春