一種個性化骨科固位夾板的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種個性化骨科固位夾板的制作方法，包括以下步驟：對患者的骨折處肢體表面進行受力分析得到受力分布情況，并受力分布情況在表面上生成若干鏤空結構，其中受力值大的區域的鏤空結構致密，受力值小的區域的鏤空結構稀疏；然后將表面向外偏移預定厚度得到夾板模型，將夾板模型切割成兩部分得到上夾板和下夾板，并對上夾板和下夾板均沿其表面自邊緣向中心方向的預定距離內的鏤空結構進行填充；分別在上夾板和下夾板上設置互相配合并用于可拆式連接固定上夾板和下夾板的連接件；將上夾板和下夾板的數據導入3D打印機進行打印，即完成固位夾板的制作。本發明制得的骨科固位夾板不但穿戴舒適，而且可方便拆卸換藥、清洗等。
【專利說明】
一種個性化骨科固位夾板的制作方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種個性化骨科固位夾板的制作方法，屬于固定件的成形和連接技術領域。
【背景技術】
[0002]骨折作為一種常見的運動系統創傷，發生頻率和復雜程度正在逐年增加，對于骨折術后康復治療的傳統方法是將患者的骨折處通過石膏或者夾板等外固定支架進行固定。
[0003]石膏固定是對骨折患者進行固定的常見方法，石膏固定的優點是豎硬，不易變形松散。但由于石膏管型豎硬，與肢體貼合嚴密，所以難以適應肢體在創傷后的反應性腫脹，容易壓迫肢體而出現許多并發癥，如壓迫性漬湯、壓迫性神經癱瘓及血液循環障礙等，嚴重的可導致肢體壞死;另外，不適當的固定所造成的不利的力學環境旋轉功能障礙，易出現筋膜間室綜合征，骨折不愈合，可能導致再次移位等;而且石膏和水會起化學反應，逐步硬化并放出熱量，這時患者會有灼熱感，不利于清潔，并且石膏支架透氣性差，夏天悶熱難耐，冬天穿衣不便，皮膚會因為不透氣導致表皮脫落等問題，因此舒適性很差。
[0004]夾板是臨床治療骨科骨折時應用的另一種外固定器材，在治療骨傷科臨床中占有不可取代的地位。其存在諸多優點:簡單易掌握、應用便捷、取材方便、痛苦小、醫療費用較低等。
[0005]現有的個性化外固定夾板雖然已經能都實現數字化制造，但很多技術仍不完善。第一，現有技術中模型的透氣孔構建技術無法結合患肢的受力要求，導致患者穿戴不適，容易導致二次移位;第二，現有技術的鏤空結構往往很粗糙，過渡不均勻，既不美觀又容易劃傷皮膚和影響血液循環;第三，現有技術沒有結合模型偏置算法使得夾板的固位作用達到最優位置。
【發明內容】
[0006]本發明要解決技術問題是:克服上述技術的缺點，提供一種穿戴舒適并可拆卸換藥、清洗的骨科固位夾板的制作方法。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明提出的技術方案是:一種個性化骨科固位夾板的制作方法，包括以下步驟:
1)對患者骨折處進行掃描，得到患者骨折處的肢體表面；
2)對所述骨折處的肢體表面的預設受力點施加載荷，然后對所述骨折處的肢體表面進行受力分析，得到所述骨折處的肢體表面的受力分布情況，將受力值超過預設值的區域作為固位區域，并在所述固位區域生成三角網格；
3)根據步驟2)得到的所述表面的受力分布情況，在所述固位區域上生成若干鏤空結構，其中受力值大的區域的鏤空結構致密，受力值小的區域的鏤空結構稀疏，從而得到鏤空的固位區域；
4)將所述鏤空的固位區域向外偏移預定厚度得到夾板模型，具體方法如下: 設需偏移的預定厚度為c/，所述鏤空的固位區域的所有三角網格的頂點共有/3個，每個頂點的坐標依次為ri，r2，…A，每個頂點對應的單位法矢依次為/3 I ,/32,/33，…，
Hn ；
依次將頂點沿其對應的法矢方向/3 i向外移動距離C/，得到對應的偏置點Fi '=Y1 +/^句，所有的偏置點'記為偏置點集，0<i ;對所述偏置點集進行三角網格化得到偏置固位區域，并與所述鏤空的固位區域共同形成封閉實體；
5)將所述夾板模型切割成兩部分得到上夾板和下夾板，并對上夾板和下夾板均沿其表面自邊緣向中心方向的預定距離L內的鏤空結構進行填充；
6)分別在所述上夾板和下夾板上設置互相配合并用于可拆式連接固定上夾板和下夾板的連接件；
7)將所述上夾板和下夾板的數據導入3D打印機進行打印，即完成所述固位夾板的制作。
[0008]優選的，步驟2)所述固位區域的表面生成三角網格后，對三角網格進行細分/簡化處理。
[0009]本發明帶來的有益效果是:
(I)本發明制成的夾板生產迅速，而且是針對每位病人的特點一對一制作，有助于傷處更好的恢復，同時穿戴式的使用方式簡單可靠。而且本發明制成的夾板只是一個支架，不會完全包裹患者骨折處，保證了透氣性和輕便性。
[0010](2)本發明在實施時，對所述表面的預設受力點施加載荷得到所述表面的受力分布情況，這樣不但可以準確確定固位區域，防止患者穿戴不適導致二次移位等，而且可以方便調整所述固位區域的鏤空結構密度，受力大的區域鏤空結構致密，從而保證夾板結構強度;受力小的區域鏤空結構稀疏，從而保證夾板的輕質透氣。所述預設受力點可按醫學理論來指定，這樣本發明可以結合準確的醫學指導，得到更精確的固位區域以及更合理的鏤空結構大小，可以保證夾板的面積最小，不但使患者穿戴舒適，而且可以在保證夾板結構強度的基礎上最大可能的節省材料。
[0011](3)本發明將所述夾板模型切割成兩部分得到上夾板和下夾板，并對上夾板和下夾板均沿其表面自邊緣向中心方向的預定距離L內的鏤空結構進行填充，這樣可以避免已經生成的鏤空結構影響所述上、下夾板的邊緣，防止上夾板和下夾板因為鏤空結構原因連接強度不夠或者不方便連接等。
[0012](4)本發明將所述夾板模型切割成上夾板和下夾板，所述上夾板和下夾板通過連接件進行可拆式連接固定，既可以方便病人穿戴，又可以保證夾板的固位矯形作用。這樣不但可以在整個治療過程中方便換藥，而且解決了常規連接方式(如螺釘螺母)中多余部件造成對皮膚的壓力問題，影響血液循環。
[0013]上述技術方案的進一步改進是:步驟3)中基于poissondisk采樣算法在所述表面上生成若干鏤空結構，具體如下:對所述固位區域的所有頂點根據步驟2)得到的受力分布情況進行poisson disk采樣得到若干采樣點；然后根據步驟2)得到的受力分布情況通過Voronoi算法對所述固位區域的所有頂點基于所述采樣點進行區域提取，將基于每一個采樣點提取的區域邊界上的頂點連接得到所需的若干鏤空結構，即受力值大的區域的鏤空結構致密，受力值小的區域的鏤空結構稀疏。
[0014]在實施時，首先以所述表面的受力分布情況為約束進行不均勻采樣得到采樣點，采樣點的密度體現受力的大小，然后采用Voronoi分割算法刪去采樣點形成的鏤空結構區域，從而得到更精確合理的鏤空結構位置和鏤空結構大小，有效解決了現有技術的鏤空結構去除技術無法迎合患肢的受力要求，導致患者穿戴不適，容易導致二次移位等問題。
[0015]由于采樣點周圍區域的三角網格頂點被刪除，導致鏤空結構周圍頂點數據的原有拓撲結構發生了變化，比如出現突出于曲線的點和凹陷于曲線的點，這些點影響了鏤空結構曲線的平滑度，既不美觀又影響后續的制造，應當剔除。因此本發明進一步的改進是:對步驟3)生成的鏤空結構基于Laplacian的網格邊界重置方法進行二維光順處理，其中基于Laplacian的網格邊界重置方法進行二維光順處理為現有技術，不再贅述。
[0016]上述技術方案的進一步改進是:對步驟4)得到的夾板模型基于曲率約束的光順算法進行三維光順，即從所述夾板模型中找到曲率大于預設曲率的區域作為刃口邊緣區域，將所述刃口邊緣區域應用拉普拉斯算子進行光順處理。將所述刃口邊緣區域應用拉普拉斯算子進行光順處理也為現有技術，不再贅述。
[0017]上述技術方案的進一步改進是:步驟6)中所述連接件包括設置在所述上夾板和下夾板一端相互配合的鍵槽式鎖扣連接件以及設置在所述上夾板和下夾板另一端相互配合的柔性連接件。
【附圖說明】
[0018]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0019]圖1是本發明實施例中固位區域表面上生成的鏤空結構示意圖。
[0020]圖2是本發明實施例中鏤空的固位區域向外偏移的方法示意圖。
[0021]圖3是本發明實施例中上夾板和下夾板向內偏移預定距離的示意圖。
[0022]圖4是本發明實施例中夾板模型進行三維光順前的示意圖。
[0023]圖5是對圖4二維光順后的不意圖。
[0024]圖6是本發明實施例中上夾板的示意圖。
[0025]圖7是本發明實施例中下夾板的示意圖。
[0026]圖8是本發明實施例中的一種鍵槽式鎖扣連接件的示意圖。
[0027]圖9是本發明實施例中的另一種鍵槽式鎖扣連接件的示意圖。
[0028]圖10是本發明實施例中柔性連接件的示意圖。
【具體實施方式】
實施例
[0029]本實施例的個性化骨科固位夾板的制作方法，包括以下步驟:
I)對患者骨折(以手腕為例說明)處進行掃描，得到患者骨折處的肢體表面。
[0030]本實施例對骨折處進行掃描時通過CT掃描獲得二維圖像數據進行三維模型重建結合光學掃描儀直接得到的原始三維模型，然后得到三維模型的表面即患者骨折處的肢體表面。當然也可以直接使用三維非接觸掃描，或者采用CT等二維圖像進行三維重建得到原始三維模型。
[0031]CT所得數據可以幫助運用醫學理論更好地對患肢進行分析，但是它的曲面外形精度較低，而光學掃描儀所獲的數據則大大彌補了這一缺點。
[0032]2)對所述表面的預設受力點施加外力，對所述表面進行有限元受力分析，得到所述表面的受力分布情況，將受力值超過預設值的區域作為固位區域，并在所述固位區域生成三角網格。
[0033]本實施例在得到患肢表面信息后，可結合醫學理論指導給出預設的受力點，對患肢輪廓的曲面模型進行有限元力學分析，觀察模型的受力情況，從而確定固位區域。
[0034]本實施例在所述固位區域的表面生成三角網格后，如果三角網格的頂點過于稀疏，則無法反映軟組織的幾何特征，那么重構出來的所述固位區域的表面與軟組織的實際特征將有很大的區別；如果三角網格的頂點數過于細化，必然使所述固位區域的表面的三角面片的數量大幅增加，那么重構算法的計算量將大大增加。通過三角網格細分/簡化算法，對模型進行細分/簡化處理，一般當頂點數大于10萬時對模型進行簡化，頂點數小于10萬時，對模型進行細分。三角網格的細分/簡化算法為現有技術，不再贅述。
[0035]3)根據步驟2)得到的所述表面的受力分布情況，在所述固位區域上生成若干鏤空結構，如圖1所示，其中受力值大的區域的鏤空結構致密，受力值小的區域的鏤空結構稀疏，從而得到鏤空的固位區域。
[0036]在所述固位區域上生成若干鏤空結構有多種現有方法，比如直接根據有限元力學分析得到的受力分布結果按受力的比例生成鏤空結構大小和鏤空結構距離等，但該方法不能完全保證夾板結構強度以及輕質透氣等。
[0037]因此本實施例優選以下方法:首先，基于有限元力學分析得到的受力分布結果，通過poisson disk采樣算法對模型頂點采樣并對采樣點進行不均勻調整，鏤空結構的大小不一反映了區域的受力大小。受力大的區域鏤空結構致密，從而保證夾板結構強度;受力小的區域鏤空結構稀疏，從而保證夾板的輕質透氣。采樣(S amp I i n g )指把時間域或空間域的連續量轉化成離散量的過程。本發明中將采樣點作為基礎，選擇他們周圍一定去范圍內的點一起刪除，這就形成了我們想要的鏤空結構效果。因此采樣點決定了鏤空結構的大小及密度，緊密影響夾板的結構外形。
[0038]本實施例對所述表面的所有頂點根據步驟2)得到的受力分布情況進行Poissondisk采樣得到若干采樣點，即對所述表面的所有頂點進行精簡。Poisson disk采樣算法為現有技術，可參考〈〈Efficient Generat1n of Poisson-Disk Sampling Patterns))(Journal of Graphics, GPU, and Game Tools,Volume 11，Issue 2，2006)等。
[0039]其次，本實施例中將采樣點作為基礎，基于有限元力學分析得到的受力分布結果，選擇他們周圍一定范圍內的頂點一起刪除，即通過Voronoi算法對所述表面所有頂點基于所述采樣點進行區域提取，將基于每一個采樣點提取的區域邊界上的頂點連接得到所需的若干鏤空結構，即受力值大的區域的鏤空結構致密，從而保證夾板結構強度，受力值小的區域的鏤空結構稀疏，從而保證夾板的輕質透氣。因此采樣點決定了鏤空結構的大小及密度，緊密影響夾板的結構外形。Voronoi算法也為現有技術，可參考《基于Voronoi圖的空間區域劃分算法》(作者:董雪、劉潤濤等，《哈爾濱商業大學學報:自然科學版》，2011，27(6):867-869) ο
[0040]需要說明的是:Poisson disk采樣算法和Voronoi算法均為現有技術，但本實施例中將有限元力學分析得到的受力分布結果作為約束調整固位區域的鏤空結構密度，從而使受力大的區域鏤空結構致密，受力小的區域鏤空結構稀疏，這是本發明的主要創新點之一，有效解決了現有技術的鏤空結構去除技術無法迎合患肢的受力要求，導致患者穿戴不適，容易導致二次移位等問題。
[0041]4)如圖2所示，將所述鏤空的固位區域向外偏移預定厚度得到夾板模型，具體方法如下:
設需偏移的預定厚度為c/，所述鏤空的固位區域的所有頂點共有/3個，每個頂點的坐標依次為h，r2，…，!^每個頂點對應的單位法矢依次為/3 I , η 2 , /33，…，心；
依次將頂點沿其對應的法矢方向/3 i向外移動距離c/，得到對應的偏置點Fi ' =Y1 +仿句，所有的偏置點H己為偏置點集r，={,ι，，ιν，ιν，...，ιν}，ο<? ^/3 ;對所述偏置點集進行三角網格化得到偏置固位區域，并與所述鏤空的固位區域共同形成封閉實體。其中對所述偏置點集進行三角網格化時可采用泊松網格重建等現有算法。
[0042]5)如圖6和圖7所示，將所述夾板模型切割成兩部分得到上夾板和下夾板，并對上夾板和下夾板均沿其表面自邊緣向中心方向的預定距離L內的鏤空結構進行填充，如圖3所不O
[0043]將所述夾板模型切割成兩個部分是為了便于后續的穿戴，而沿著上夾板和下夾板的表面向面內偏置一個距離L，是為了防止上述操作產生的透氣孔影響上夾板和下夾板的邊緣，避免斷裂或者折斷等現象發生。
[0044]6)分別在所述上夾板和下夾板上設置互相配合并用于可拆式連接固定上夾板和下夾板的連接件。
[0045]所述連接件優選設置在所述上夾板和下夾板一端相互配合的鍵槽式鎖扣連接件(比如:如圖8所示的梯形幾何自鎖連接件，或者圖9所示的T型幾何自鎖連接件等)，以及設置在所述上夾板和下夾板另一端相互配合的柔性連接件(比如圖10所示的彈性織物，或者其他柔性材料制成的連接件等)，這樣既可以方便病人穿戴，在使用時僅需啟閉鍵槽式鎖扣連接件就能完成穿戴，又可以保證夾板的固位矯形作用。
[0046]7)將所述上夾板和下夾板的數據導入3D打印機進行打印，即完成所述固位夾板的制作。打印材料優選耐用生物塑料pla，pla可以打印成各種顏色，而且導熱性很好，可以很好地吻合穿用者的身體外形。
[0047]當然打印完成后，可能還還需去除支撐并打磨表面等進一步的后續操作。
[0048]本實施例制成的夾板在穿戴時，可在夾板內表面添加襯墊，防止夾板過硬引起患者穿戴不適，襯墊材料應該選擇對皮膚無傷害的材料。
[0049]本實施例還可以作以下改進:
(I)步驟3)中通過Poisson disk采樣算法和Voronoi算法得到的鏤空結構由于采樣點周圍區域的頂點被刪除，導致鏤空結構周圍頂點數據的原有拓撲結構發生了變化，比如出現突出于曲線的點和凹陷于曲線的點，這些點嚴重影響鏤空結構曲線的平滑度，既不美觀又影響后續的制造，應當剔除。因此，對步驟3)生成的鏤空結構基于Laplacian的網格邊界重置方法進行二維光順處理，其中基于Laplacian的網格邊界算法進行二維光順處理為現有技術，可參考《平移敏感的Laplacian網格編輯方法》(作者:葉夢、李崢、羅笑南，第十四屆全國圖象圖形學學術會議，2008年5月16日)。
[0050](2)由于光學掃描儀本身的缺陷、被測患者骨折處的表面缺陷和人為的擾動等，使得生成的夾板模型往往混有很多不必要的噪聲點，導致實物與夾板模型之間存在一定的偏差，從而使得重構曲面不光滑，所以需要對步驟4)得到的夾板模型進行去噪光順處理。因此，對步驟4)得到的夾板模型基于曲率約束的光順算法進行三維光順，即從所述夾板模型中找到曲率大于預設曲率的區域作為刃口邊緣區域，將所述刃口邊緣區域應用拉普拉斯算子進行光順處理，其結果如圖4和圖5所示。將所述刃口邊緣區域應用拉普拉斯算子進行光順處理也為現有技術，可參考《點云模型的光順去噪研究》(作者:劉立國，浙江大學碩士論文，2007年)。
[0051]本發明不局限于上述實施例所述的具體技術方案，除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換形成的技術方案，均為本發明要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種個性化骨科固位夾板的制作方法，包括以下步驟: 1)對患者骨折處進行掃描，得到患者骨折處的肢體表面； 2)對所述骨折處的肢體表面的預設受力點施加載荷，然后對所述骨折處的肢體表面進行受力分析，得到所述骨折處的肢體表面的受力分布情況，將受力值超過預設值的區域作為固位區域，并在所述固位區域生成三角網格； 3)根據步驟2)得到的所述表面的受力分布情況，在所述固位區域上生成若干鏤空結構，其中受力值大的區域的鏤空結構致密，受力值小的區域的鏤空結構稀疏，從而得到鏤空的固位區域； 4)將所述鏤空的固位區域向外偏移預定厚度得到夾板模型，具體方法如下: 設需偏移的預定厚度為c/，所述鏤空的固位區域的所有三角網格的頂點共有/3個，每個頂點的坐標依次為Γι，Γ2，…A，每個頂點對應的單位法矢依次為/3 i , η 2 , η 3，...，ηπ., 依次將頂點Fi沿其對應的法矢方向/3 i向外移動距離c/，得到對應的偏置點Fi ' =Y1 +?.^/，所有的偏置點rr記為偏置點集，0<i ;對所述偏置點集進行三角網格化得到偏置固位區域，并與所述鏤空的固位區域共同形成封閉實體； 5)將所述夾板模型切割成兩部分得到上夾板和下夾板，并對上夾板和下夾板均沿其表面自邊緣向中心方向的預定距離L內的鏤空結構進行填充； 6)分別在所述上夾板和下夾板上設置互相配合并用于可拆式連接固定上夾板和下夾板的連接件； 7)將所述上夾板和下夾板的數據導入3D打印機進行打印，即完成所述固位夾板的制作。2.根據權利要求1所述的個性化骨科固位夾板的制作方法，其特征在于:步驟2)所述固位區域的表面生成三角網格后，對三角網格進行細分/簡化處理。3.根據權利要求1所述的個性化骨科固位夾板的制作方法，其特征在于:步驟3)中基于poisson disk采樣算法在所述表面上生成若干鏤空結構，具體如下:對所述固位區域的所有頂點根據步驟2)得到的受力分布情況進行poisson disk采樣得到若干采樣點;然后根據步驟2)得到的受力分布情況通過Voronoi算法對所述固位區域的所有頂點基于所述采樣點進行區域提取，將基于每一個采樣點提取的區域邊界上的頂點連接得到所需的若干鏤空結構，即受力值大的區域的鏤空結構致密，受力值小的區域的鏤空結構稀疏。4.根據權利要求3所述的個性化骨科固位夾板的制作方法，其特征在于:對步驟3)生成的鏤空結構基于Laplacian的網格邊界重置方法進行二維光順處理。5.根據權利要求1所述的個性化骨科固位夾板的制作方法，其特征在于:對步驟4)得到的夾板模型基于曲率約束的光順算法進行三維光順，具體如下:從所述夾板模型中找到曲率大于預設曲率的區域作為刃口邊緣區域，將所述刃口邊緣區域應用拉普拉斯算子進行光順處理。6.根據權利要求1所述的個性化骨科固位夾板的制作方法，其特征在于:步驟6)中所述連接件包括設置在所述上夾板和下夾板一端相互配合的鍵槽式鎖扣連接件，以及設置在所述上夾板和下夾板另一端相互配合的柔性連接件。7.根據權利要求1所述的個性化骨科固位夾板的制作方法，其特征在于:步驟7)使用生 物塑料PLA進行打印。
【文檔編號】A61F5/058GK105963061SQ201610290326
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】戴寧, 李大偉, 崔海華, 葛志軒, 程筱勝
【申請人】南京航空航天大學