本發(fā)明屬于整形整容技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種定制擴張器的方法，特別涉及一種應用激光掃描、有限元分析和3d打印技術(shù)定制符合生物力學的擴張器的方法。
背景技術(shù)：
皮膚軟組織擴張術(shù)簡稱皮膚擴張術(shù)，是指將皮膚軟組織擴張器(簡稱擴張器)植入正常皮膚軟組織下，通過注射閥門向擴張囊內(nèi)注射液體，用以增加擴張器容量，使其對表面皮膚軟組織產(chǎn)生壓力，通過擴張機制對局部的作用，使組織和表皮細胞分裂和增殖及細胞間隙拉大，從而增加皮膚面積，獲得皮膚顏色、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、毛發(fā)均與受區(qū)相匹配的修復材料。皮膚擴張技術(shù)經(jīng)過40年的發(fā)展，目前已被廣泛應用于全身各個部位的病變組織的修復和器官重建。
臨床上常用的擴張器主要由擴張囊、注射閥門和導水管組成。擴張囊是擴張器的主體部分，依據(jù)其容量大小及形態(tài)不同可分為不同的規(guī)格和型號，常見的有方形、腎形和圓形。
現(xiàn)有的擴張器存在如下缺點：
局部病變組織修復的臨床情景千變?nèi)f化，正確地選擇擴張區(qū)域可以使擴張后的皮膚得到充分利用，提高手術(shù)效果。大多數(shù)供區(qū)的形狀并不規(guī)則，雖然擴張器有不同的規(guī)格和型號，但仍不能適應多變的供區(qū)，因此難以滿足臨床實踐的需要。
從擴張器設計的角度來看，目前臨床使用的擴張器底面多為平面或弧形，雖然能貼合部分體表，但在很多情況下，如頭頂、肩關(guān)節(jié)和胸壁等處，擴張器底面都沒能很好地貼合體表的幾何外形，這會導致以下弊端：1.擴張器穩(wěn)定性降低。2.擴張器施加給底部組織的壓力不均勻，局部神經(jīng)受壓過大導致疼痛。
擴張器注水擴張時會對其表面的皮膚施壓，如果局部皮膚受到壓力過大會造成血運障礙，使得這部分皮膚較周圍皮膚更易破潰。擴張囊的外形與擴張皮膚所受壓力的分布息息相關(guān)，擴張囊局部如果曲率過大會增加其表面擴張皮膚受到的壓力。擴張定制的、結(jié)構(gòu)較為復雜的擴張器時，由于術(shù)前缺乏針對皮膚所受壓力分布的有效評估，往往造成并發(fā)癥高發(fā)，擴張效率降低等后果。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)合激光體表掃描技術(shù)、有限元建模分析及3d打印技術(shù)，定制貼合特定部位，擴張時對皮膚壓力相對分散的擴張器的方法，即一種應用激光掃描、有限元分析和3d打印技術(shù)定制符合生物力學的擴張器的方法。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
本發(fā)明一種應用激光掃描、有限元分析和3d打印技術(shù)定制符合生物力學的擴張器的方法，主要包括以下三方面的內(nèi)容(即三個步驟)：(一)根據(jù)激光體表掃描技術(shù)獲得的體表三維數(shù)據(jù)，據(jù)此設計貼合擬擴張區(qū)域的擴張器底面；(二)利用有限元分析軟件，了解擴張結(jié)束時皮膚各處的受力情況，據(jù)此調(diào)整擴張囊的形狀，對于皮膚受壓過高的局部進行曲率調(diào)整，由此設計出對皮膚壓力相對分散的擴張囊；(三)在擴張囊基礎(chǔ)上添加導水管和注射閥門，并利用3d打印技術(shù)打印出定制擴張器。
本發(fā)明一種應用激光掃描、有限元分析和3d打印技術(shù)定制符合生物力學的擴張器的方法，具體按下述步驟進行：
(1)擴張器底面的設計
首先通過激光體表掃描儀掃描獲得患者體表局部的三維數(shù)據(jù)，臨床醫(yī)師在軟件上勾選出擬擴張的范圍，并對邊緣進行光滑處理，由此形成一塊邊緣光滑，貼合局部體表外形的曲面；將所得曲面導入3d建模軟件進行進一步修整，設置曲面高為3-5mm，邊緣圓弧化，即可作為擴張器的底面；
(2)擴張囊的設計和外形的優(yōu)化
(a)用穹隆結(jié)構(gòu)包裹擴張器底面，形成擴張囊的初步外形，在有限元分析軟件中構(gòu)建皮膚擴張模型，并導入設計好的擴張囊形狀，設定擴張囊起始體積為0；
(b)對修復病變組織所需的組織面積進行估計，選取擴張皮膚表面積為病變組織表面積的120-200％作為擴張終點；
(c)達到擴張終點后，分析擴張皮膚各處的受力情況，對壓力超過5.3-6.5kpa(研究認為擴張皮膚所受壓力高于5.3-6.5kpa時并發(fā)癥發(fā)生率較高)的部分進行標記，并降低此處擴張囊表面的曲率；
(d)將新設計的擴張囊導入皮膚擴張模型，再次分析擴張到終點后皮膚各處的受力，若各處受力均小于5.3-6.5kpa，則認為擴張囊對擴張皮膚各處的壓力相對均勻，即完成了擴張囊的設計和外形的優(yōu)化；
(3)導水管和注射閥門的設計
將最終確定的擴張囊模型導入3d建模軟件，加上組成擴張器必要的導水管和注射閥門結(jié)構(gòu)；導水管一端與注射閥門固定相連接，另一端固定于擴張囊底部；
(4)擴張器的3d打印
將擴張器模型導入硅膠3d打印機，采用醫(yī)用硅膠進行打印。
進一步地，步驟(3)中，導水管與擴張囊的接合為內(nèi)含式，即：導水管的端頭內(nèi)含在擴張囊中，與擴張囊成為一體，因此，擴張時接口處不會對底部組織造成額外的壓迫。
進一步地，步驟(2)中，(b)對修復病變組織所需的組織面積進行估計，針對成人，選取擴張皮膚表面積為病變組織表面積的155-165％作為擴張終點。
進一步地，步驟(2)中，(b)對修復病變組織所需的組織面積進行估計，針對兒童，選取擴張皮膚表面積為病變組織表面積的140-145％作為擴張終點。
進一步地，步驟(3)中，導水管長8～12cm，導水管內(nèi)徑為1-3mm，外徑為2-4mm。
進一步地，步驟(3)中，注射閥門為雙向閥門，梯形圓柱體形狀，上表面直徑0.4-0.8cm，下表面直徑0.8-1.2cm，高為0.6-1.0cm。
更進一步地，步驟(3)中，注射閥門內(nèi)部設有防刺穿不銹鋼片。
進一步地，步驟(1)中，所述3d建模軟件為unigraphicsnx。
進一步地，步驟(2)中，所述的有限元分析軟件為abaqus。
進一步地，步驟(4)中，所述的硅膠3d打印機型號為aceoimagineseriesk。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明提供了一種結(jié)合激光體表掃描技術(shù)、有限元建模分析及3d打印技術(shù)，定制貼合特定部位，擴張時對皮膚壓力相對分散的擴張器的方法。本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵就在于：運用激光體表掃描技術(shù)，結(jié)合有限元分析軟件和3d打印技術(shù)，定制貼合皮膚表面，擴張時對皮膚壓力相對分散，符合生物力學的擴張器。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：
首先，本定制擴張器底面由臨床醫(yī)師在激光體表掃描所獲得的三維模型上選取，由此獲得貼合體表、符合臨床要求的底面；其次，本定制擴張器利用有限元分析軟件了解擴張結(jié)束時皮膚各處的受力情況，對于皮膚受壓過高的局部進行曲率調(diào)整，設計出符合生物力學的擴張囊，有利于減小擴張過程中皮膚破潰的風險，提高了擴張效率；最后，定制的擴張器由硅膠3d打印機打印完成，提高了擴張器制作的效率。
具體實施方式
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
實施例1
一種應用激光掃描、有限元分析和3d打印技術(shù)定制符合生物力學的擴張器的方法，按下述步驟進行：
(1)擴張器底面的設計
首先通過激光體表掃描儀掃描獲得患者體表局部的三維數(shù)據(jù)，臨床醫(yī)師在軟件上勾選出擬擴張的范圍，并對邊緣進行光滑處理，由此形成一塊邊緣光滑，貼合局部體表外形的曲面；將所得曲面導入3d建模軟件(unigraphicsnx)進行進一步修整，設置曲面高為3mm，邊緣圓弧化，即可作為擴張器的底面。
(2)擴張囊的設計和外形的優(yōu)化
(a)用穹隆結(jié)構(gòu)包裹擴張器底面，形成擴張囊的初步外形，利用ellenkuhl等描述的方法在有限元分析軟件(abaqus)中構(gòu)建皮膚擴張模型，并導入設計好的擴張囊形狀，設定擴張囊起始體積為0；
(b)對修復病變組織所需的組織面積進行估計，由于撤去擴張器后皮瓣回縮率可達30％，因此，針對成人，選取擴張皮膚表面積為病變組織表面積的155％作為擴張終點；
(c)達到擴張終點后，分析擴張皮膚各處的受力情況，對壓力超過6.5kpa(研究認為擴張皮膚所受壓力高于6.5kpa時并發(fā)癥發(fā)生率較高)的部分進行標記，并降低此處擴張囊表面的曲率；
(d)將新設計的擴張囊導入皮膚擴張模型，再次分析擴張到終點后皮膚各處的受力，若各處受力均小于6.5kpa，則認為擴張囊對擴張皮膚各處的壓力相對均勻，即完成了擴張囊的設計和外形的優(yōu)化；
(3)導水管和注射閥門的設計
將最終確定的擴張囊模型導入3d建模軟件unigraphicsnx，加上組成擴張器必要的導水管和注射閥門結(jié)構(gòu)。
導水管長10cm，導水管內(nèi)徑為2mm，外徑為3mm。導水管一端與注射閥門固定相連接，另一端固定于擴張囊底部，導水管與擴張囊的接合為內(nèi)含式(即：導水管的端頭內(nèi)含在擴張囊中，與擴張囊成為一體)，因此，擴張時接口處不會對底部組織造成額外的壓迫。
注射閥門為雙向閥門，梯形圓柱體形狀，上表面直徑0.6cm，下表面直徑1cm，高為0.8cm。閥門內(nèi)部有防刺穿不銹鋼片。
(4)擴張器的3d打印
將擴張器模型導入硅膠3d打印機(
實施例2
一種應用激光掃描、有限元分析和3d打印技術(shù)定制符合生物力學的擴張器的方法，按下述步驟進行：
(1)擴張器底面的設計
首先通過激光體表掃描儀掃描獲得患者體表局部的三維數(shù)據(jù)，臨床醫(yī)師在軟件上勾選出擬擴張的范圍，并對邊緣進行光滑處理，由此形成一塊邊緣光滑，貼合局部體表外形的曲面；將所得曲面導入3d建模軟件(unigraphicsnx)進行進一步修整，設置曲面高為4mm，邊緣圓弧化，即可作為擴張器的底面。
(2)擴張囊的設計和外形的優(yōu)化
(a)用穹隆結(jié)構(gòu)包裹擴張器底面，形成擴張囊的初步外形，利用ellenkuhl等描述的方法在有限元分析軟件(abaqus)中構(gòu)建皮膚擴張模型，并導入設計好的擴張囊形狀，設定擴張囊起始體積為0；
(b)對修復病變組織所需的組織面積進行估計，由于撤去擴張器后皮瓣回縮率可達30％左右，因此，針對兒童，選取擴張皮膚表面積為病變組織表面積的145％作為擴張終點；
(c)達到擴張終點后，分析擴張皮膚各處的受力情況，對壓力超過5.3kpa(研究認為擴張皮膚所受壓力高于5.3kpa時并發(fā)癥發(fā)生率較高)的部分進行標記，并降低此處擴張囊表面的曲率；
(d)將新設計的擴張囊導入皮膚擴張模型，再次分析擴張到終點后皮膚各處的受力，若各處受力均小于5.3kpa，則認為擴張囊對擴張皮膚各處的壓力相對均勻，即完成了擴張囊的設計和外形的優(yōu)化；
(3)導水管和注射閥門的設計
將最終確定的擴張囊模型導入3d建模軟件unigraphicsnx，加上組成擴張器必要的導水管和注射閥門結(jié)構(gòu)。
導水管長8cm，導水管內(nèi)徑為1mm，外徑為2mm。導水管一端與注射閥門固定相連接，另一端固定于擴張囊底部，導水管與擴張囊的接合為內(nèi)含式(即：導水管的端頭內(nèi)含在擴張囊中，與擴張囊成為一體)，因此，擴張時接口處不會對底部組織造成額外的壓迫。
注射閥門為雙向閥門，梯形圓柱體形狀，上表面直徑0.4cm，下表面直徑0.8cm，高為0.6cm。閥門內(nèi)部有防刺穿不銹鋼片。
(4)擴張器的3d打印
將擴張器模型導入硅膠3d打印機(
實施例3
一種應用激光掃描、有限元分析和3d打印技術(shù)定制符合生物力學的擴張器的方法，按下述步驟進行：
(1)擴張器底面的設計
首先通過激光體表掃描儀掃描獲得患者體表局部的三維數(shù)據(jù)，臨床醫(yī)師在軟件上勾選出擬擴張的范圍，并對邊緣進行光滑處理，由此形成一塊邊緣光滑，貼合局部體表外形的曲面；將所得曲面導入3d建模軟件(unigraphicsnx)進行進一步修整，設置曲面高為5mm，邊緣圓弧化，即可作為擴張器的底面。
(2)擴張囊的設計和外形的優(yōu)化
(a)用穹隆結(jié)構(gòu)包裹擴張器底面，形成擴張囊的初步外形，利用ellenkuhl等描述的方法在有限元分析軟件(abaqus)中構(gòu)建皮膚擴張模型，并導入設計好的擴張囊形狀，設定擴張囊起始體積為0；
(b)對修復病變組織所需的組織面積進行估計，由于撤去擴張器后皮瓣回縮率可達30％左右，因此，針對成人，選取擴張皮膚表面積為病變組織表面積的165％作為擴張終點；
(c)達到擴張終點后，分析擴張皮膚各處的受力情況，對壓力超過6.0kpa(研究認為擴張皮膚所受壓力高于6.0kpa時并發(fā)癥發(fā)生率較高)的部分進行標記，并降低此處擴張囊表面的曲率；
(d)將新設計的擴張囊導入皮膚擴張模型，再次分析擴張到終點后皮膚各處的受力，若各處受力均小于6.0kpa，則認為擴張囊對擴張皮膚各處的壓力相對均勻，即完成了擴張囊的設計和外形的優(yōu)化；
(3)導水管和注射閥門的設計
將最終確定的擴張囊模型導入3d建模軟件unigraphicsnx，加上組成擴張器必要的導水管和注射閥門結(jié)構(gòu)。
導水管長12cm，導水管內(nèi)徑為3mm，外徑為4mm。導水管一端與注射閥門固定相連接，另一端固定于擴張囊底部，導水管與擴張囊的接合為內(nèi)含式(即：導水管的端頭內(nèi)含在擴張囊中，與擴張囊成為一體)，因此，擴張時接口處不會對底部組織造成額外的壓迫。
注射閥門為雙向閥門，梯形圓柱體形狀，上表面直徑0.8cm，下表面直徑1.2cm，高為1.0cm。閥門內(nèi)部有防刺穿不銹鋼片。
(4)擴張器的3d打印
將擴張器模型導入硅膠3d打印機(
實施例4
該方法與實施例2基本相同，不同處在于：擴張囊的設計和外形的優(yōu)化中，
(b)對修復病變組織所需的組織面積進行估計，由于撤去擴張器后皮瓣回縮率可達30％左右，因此，針對兒童，選取擴張皮膚表面積為病變組織表面積的140％作為擴張終點。
實施例5
該方法與實施例1基本相同，不同處在于：擴張囊的設計和外形的優(yōu)化中，
(b)對修復病變組織所需的組織面積進行估計，由于撤去擴張器后皮瓣回縮率可達30％左右，因此，針對兒童，選取擴張皮膚表面積為病變組織表面積的120％作為擴張終點。
實施例6
該方法與實施例3基本相同，不同處在于：擴張囊的設計和外形的優(yōu)化中，
(b)對修復病變組織所需的組織面積進行估計，由于撤去擴張器后皮瓣回縮率可達30％左右，因此，針對成人，選取擴張皮膚表面積為病變組織表面積的200％作為擴張終點。