一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其包括：1）基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立股骨和脛骨三維數(shù)字化模型的步驟；2）運(yùn)用虛擬截骨軟件分別對股骨和脛骨三維數(shù)字化模型進(jìn)行模擬截骨的步驟；3）逆向設(shè)計(jì)股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體的CAD模型的步驟；4）根據(jù)上述各假體的CAD模型并通過3D打印技術(shù)來制造全膝關(guān)節(jié)置換假的步驟。本發(fā)明在患者原有的骨結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)截骨形態(tài)，對置換假體結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，最大程度的實(shí)現(xiàn)截除骨與置換植入體結(jié)構(gòu)形態(tài)的一致，達(dá)到假體與個(gè)人骨形態(tài)的最佳匹配。并使用激光選區(qū)熔化3D打印技術(shù)制造出設(shè)計(jì)的置換假體，在最少切骨量的基礎(chǔ)上保證假體與膝關(guān)節(jié)截骨面的最佳匹配，達(dá)到效果最優(yōu)化。
【專利說明】一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種人工膝關(guān)節(jié)假體的設(shè)計(jì)與制造方法，具體涉及一種基于原生骨形態(tài)全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，骨性關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎是老年人常見的關(guān)節(jié)疾病，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，缺乏有效的保守治療方法。對于晚期骨關(guān)節(jié)病的患者來說，全膝置換術(shù)現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于臨床，成為治療此類疾病的有效治療方法，可以減輕患者的病痛，提高生活質(zhì)量。
[0003]研究顯示每個(gè)患者個(gè)體的膝關(guān)節(jié)解剖形態(tài)都是不一樣，而目前全膝置換用膝關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)都是標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)的幾種不同型號的假體，這樣標(biāo)準(zhǔn)化的假體和患者個(gè)人的膝關(guān)節(jié)形態(tài)就會(huì)出現(xiàn)不匹配。假體與膝關(guān)節(jié)形態(tài)不匹配會(huì)造成假體的覆蓋不全或懸掛，進(jìn)而造成假體的磨損、使用壽命縮短以及關(guān)節(jié)置換術(shù)后膝關(guān)節(jié)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(shè)計(jì)出與膝關(guān)節(jié)形態(tài)達(dá)到最佳匹配的假體，提高手術(shù)效果，減少并發(fā)癥。這就需要針對每個(gè)患者設(shè)計(jì)制造個(gè)性化的膝關(guān)節(jié)假體。但是，現(xiàn)有的膝關(guān)節(jié)假體加工技術(shù)一般采用模具鑄造、數(shù)控精加工等方法，無法實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)假體的個(gè)性化設(shè)計(jì)與定制化加工制造。
[0004]激光選區(qū)熔化技術(shù)作為一種新型加工技術(shù)，發(fā)展已日趨成熟，并且已被驗(yàn)證能夠成功應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)制造領(lǐng)域。其采用激光高溫加熱使選區(qū)內(nèi)材料完全熔化的方式，逐層堆積實(shí)體零件，可以準(zhǔn)確成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，并且成型零件組織致密、精度高。利用激光選區(qū)熔化技術(shù)作為膝關(guān)節(jié)假體的新型制造方法，將打破膝關(guān)節(jié)假體傳統(tǒng)模具鑄造方式，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)假體的個(gè)性化加工制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于原生骨形態(tài)全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，包括:
[0007]I)基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立股骨和脛骨三維數(shù)字化模型的步驟；
[0008]2)運(yùn)用虛擬截骨軟件分別對股骨和脛骨三維數(shù)字化模型進(jìn)行模擬截骨的步驟；
[0009]3)逆向設(shè)計(jì)股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體的CAD模型的步驟；
[0010]4)根據(jù)上述各假體的CAD模型并通過3D打印技術(shù)來制造全膝關(guān)節(jié)置換假的步驟。
[0011]所述步驟I)具體包括:①基于患者膝關(guān)節(jié)股骨的DICOM格式的CT/MRI斷層掃描圖像，運(yùn)用醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics，依據(jù)軟組織與骨骼在圖像中表現(xiàn)不同的灰度的特點(diǎn)進(jìn)行圖像分割、修補(bǔ)處理后，進(jìn)行三維重構(gòu)以獲得股骨三維數(shù)字化模型，并輸出為PLY格式文件；②基于患者膝關(guān)節(jié)脛骨的DI COM格式的CT/MRI斷層掃描圖像，運(yùn)用醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics，依據(jù)軟組織與骨骼在圖像中表現(xiàn)不同的灰度的特點(diǎn)進(jìn)行圖像分割、修補(bǔ)處理后，進(jìn)行三維重構(gòu)以獲得脛骨三維數(shù)字化模型，并輸出為PLY格式文件。
[0012]所述步驟2)具體包括:①將股骨三維數(shù)字化模型的PLY格式文件導(dǎo)入GeomagicStudio軟件，首先建立股骨的機(jī)械軸，然后在機(jī)械軸的垂直面上找到股骨的外科上髁線，以股骨機(jī)械軸為Z軸、外科上髁線為X軸，根據(jù)右手笛卡爾坐標(biāo)系定則建立三維坐標(biāo)系；完成對股骨的定位后，按照全膝置換術(shù)的手術(shù)方案進(jìn)行模擬股骨遠(yuǎn)端截骨，獲得股骨的截除骨模型和保留骨模型，導(dǎo)出為STL格式文件；②將脛骨三維數(shù)字化模型的PLY格式文件導(dǎo)入Geomagic Studio軟件,首先建立胚骨的機(jī)械軸，然后以胚骨機(jī)械軸為Z軸、外科上媒線為X軸，根據(jù)右手笛卡爾坐標(biāo)系定則建立三維坐標(biāo)系；完成對脛骨的定位后，將脛骨后傾7°，脛骨外側(cè)平臺(tái)下IOmm進(jìn)行模擬脛骨近端截骨，獲得脛骨的截除骨模型和保留骨模型，導(dǎo)出為STL格式文件。
[0013]所述步驟3)具體包括:①首先依據(jù)股骨的截除骨模型，提取股骨遠(yuǎn)端曲面形態(tài)，保持股骨遠(yuǎn)端曲面形態(tài)不變進(jìn)行光順與優(yōu)化，獲得股骨假體曲面形態(tài)；然后依據(jù)股骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形態(tài)特征，設(shè)計(jì)股骨假體貼合面特征；最后添加固定結(jié)構(gòu)，包括添加固定圓柱體以及后端連接柱體，獲取最終的股骨置換假體CAD模型依據(jù)脛骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形態(tài)特征，設(shè)計(jì)脛骨假體貼合面特征；然后以脛骨骨髓腔形貌設(shè)計(jì)釘入物，獲得最終的脛骨置換假體CAD模型；③依據(jù)股骨置換假體曲面和脛骨截除骨模型獲得脛骨墊片假體的基本形狀，設(shè)計(jì)脛骨墊片形態(tài)特征，使其與股骨假體曲面以及脛骨假體結(jié)構(gòu)最佳匹配，獲得最終的脛骨墊片假體CAD模型。
[0014]所述步驟4)具體包括:①將股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體的CAD模型導(dǎo)入快速成型輔助軟件MaterialiseMagics中進(jìn)行處理,包括擺放定位、添加支撐和分層，并將得到的分層文件保存為CLI格式；②將分層文件導(dǎo)入RPPath軟件中進(jìn)行掃描方式選擇及掃描間距的設(shè)置，得到二維信息數(shù)據(jù)后導(dǎo)入到快速成型系統(tǒng)，通入惰性氣體，進(jìn)行激光選區(qū)熔化的3D打印制造；③取出3D打印的股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體試件，實(shí)施后續(xù)熱處理、噴砂和拋光的工序，完成全膝關(guān)節(jié)置換假體成品的制造。
`[0015]所述步驟4)的步驟②中，激光選區(qū)熔化的3D打印制造具體為:柔性鋪粉機(jī)構(gòu)將粉末平整地鋪于基板上，然后激光在計(jì)算機(jī)控制下按照模型分層后的二維信息數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，粉末熔化后凝結(jié)在下一層基體上，然后成型缸下降粉料缸上升，鋪粉系統(tǒng)再次送粉、鋪粉，熔化粉末，重復(fù)此過程，直到制造完成。
[0016]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，3D打印制造的掃描方式為正交掃描，掃描間距設(shè)置為
0.08mm，加工層厚0.035mm，掃描速度700mm/s，激光功率160W。
[0017]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中,惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?br> [0018]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，股骨置換假體和脛骨置換假體的制造材料選用生物醫(yī)學(xué)鈷鉻合金粉末或鈦合金粉末。
[0019]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，脛骨墊片假體的制造材料選用生物醫(yī)學(xué)超高分子量聚乙烯粉末。
[0020]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明提出一種基于原生骨形態(tài)的全膝人工關(guān)節(jié)個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)思路。其在患者膝關(guān)節(jié)形態(tài)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)截骨形態(tài)(包括截除骨和保留骨形態(tài))，對置換假體結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，最大程度的實(shí)現(xiàn)截除骨與置換植入體結(jié)構(gòu)形態(tài)的一致，達(dá)到假體與個(gè)人骨形態(tài)的最佳匹配。2、本發(fā)明的另一優(yōu)勢在于能夠根據(jù)患者個(gè)人的膝關(guān)節(jié)形態(tài)決定各部分的切骨策略，達(dá)到切除病患結(jié)構(gòu)和最小切骨量的要求。3、本發(fā)明采用3D打印技術(shù)制造全膝關(guān)節(jié)置換假體，打破了標(biāo)準(zhǔn)化制定、翻模鑄造、機(jī)加工處理等工藝具有的精度不高、加工周期長、造價(jià)昂貴等不利因素，開創(chuàng)出一種新型醫(yī)學(xué)制造領(lǐng)域，不僅適合加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，且加工周期短，個(gè)性適配度高，非常適合小批量的個(gè)性化量身定制，也顯示出個(gè)性化成為未來的人工假體發(fā)展方向的可行性。因此，采用激光選區(qū)熔化3D打印技術(shù)制造全膝關(guān)節(jié)置換假體解決了個(gè)性化制造的難題，能夠在個(gè)性化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上制造出與患者膝關(guān)節(jié)形態(tài)最佳匹配的全膝關(guān)節(jié)置換假體，從而實(shí)現(xiàn)在最少切骨量的基礎(chǔ)上保證假體與膝關(guān)節(jié)截骨面的最佳匹配，達(dá)到效果最優(yōu)化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]以下結(jié)合附圖來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對本發(fā)明的限制。
[0022]圖1是本發(fā)明的流程示意圖；
[0023]圖2是患者原生股骨形態(tài)圖；
[0024]圖3是患者原生脛骨形態(tài)圖；
[0025]圖4是截骨后股骨保留骨圖；
[0026]圖5是截骨后股骨截除骨圖；
[0027]圖6是截骨后脛骨保留骨圖；
[0028]圖7是截骨后脛骨截除骨圖；
[0029]圖8是股骨假體設(shè)計(jì)模型示意圖；
`[0030]圖9是脛骨假體設(shè)計(jì)模型示意圖；
[0031]圖10是脛骨墊片設(shè)計(jì)模型示意圖；
[0032]圖11是本發(fā)明的膝關(guān)節(jié)假體3D制造分層示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供的全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法包括以下步驟:
[0035]1、基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立股骨和脛骨三維數(shù)字化模型:
[0036]I)基于患者膝關(guān)節(jié)股骨的DICOM格式的CT/MRI斷層掃描圖像，運(yùn)用醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics，依據(jù)軟組織與骨骼在圖像中表現(xiàn)不同的灰度的特點(diǎn)進(jìn)行圖像分割、修補(bǔ)處理后，進(jìn)行三維重構(gòu)以獲得股骨三維數(shù)字化模型(如圖2所示)，并輸出為PLY格式文件。
[0037]2)基于患者膝關(guān)節(jié)脛骨的DICOM格式的CT/MRI斷層掃描圖像，運(yùn)用醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics，依據(jù)軟組織與骨骼在圖像中表現(xiàn)不同的灰度的特點(diǎn)進(jìn)行圖像分割、修補(bǔ)處理后，進(jìn)行三維重構(gòu)以獲得脛骨三維數(shù)字化模型(如圖3所示)，并輸出為PLY格式文件。
[0038]2、運(yùn)用虛擬截骨軟件分別對股骨和脛骨三維數(shù)字化模型進(jìn)行模擬截骨:
[0039]I)將股骨三維數(shù)字化模型的PLY格式文件導(dǎo)入Geomagic Studio軟件，首先建立股骨的機(jī)械軸，然后在機(jī)械軸的垂直面上找到股骨的外科上髁線，以股骨機(jī)械軸為Z軸、外科上髁線為X軸，根據(jù)右手笛卡爾坐標(biāo)系定則建立三維坐標(biāo)系；完成對股骨的定位后，按照全膝置換術(shù)的手術(shù)方案進(jìn)行模擬股骨遠(yuǎn)端截骨，獲得股骨的截除骨模型(如圖5所示)和保留骨模型(如圖4所示)，導(dǎo)出為STL格式文件。
[0040]2)將脛骨三維數(shù)字化模型的PLY格式文件導(dǎo)入Geomagic Studio軟件，首先建立脛骨的機(jī)械軸，然后以脛骨機(jī)械軸為Z軸、外科上髁線為X軸，根據(jù)右手笛卡爾坐標(biāo)系定則建立三維坐標(biāo)系；完成對脛骨的定位后，將脛骨后傾7°，脛骨外側(cè)平臺(tái)下(腓骨側(cè))10mm進(jìn)行模擬脛骨近端截骨，獲得脛骨的截除骨模型(如圖7所示)和保留骨模型(如圖6所示)，導(dǎo)出為STL格式文件。
[0041]3、逆向設(shè)計(jì)股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體的CAD模型:
[0042]I)首先依據(jù)股骨的截除骨模型，提取股骨遠(yuǎn)端曲面形態(tài)，保持股骨遠(yuǎn)端曲面形態(tài)不變進(jìn)行光順與優(yōu)化，獲得股骨假體曲面形態(tài)；然后依據(jù)股骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形態(tài)特征，設(shè)計(jì)股骨假體貼合面特征；最后添加固定結(jié)構(gòu)，包括添加固定圓柱體以及后端連接柱體，獲取最終的股骨置換假體CAD模型(如圖8所示)。
[0043]2)依據(jù)脛骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形態(tài)特征，設(shè)計(jì)脛骨假體貼合面特征；然后以脛骨骨髓腔形貌設(shè)計(jì)釘入物，獲得最終的脛骨置換假體CAD模型(如圖9所示)。
[0044]3)依據(jù)股骨置換假體曲面配合面、脛骨截除骨模型獲得脛骨墊片假體的基本形狀，設(shè)計(jì)脛骨墊片貼合面特征，使其與股骨假體曲面以及脛骨假體結(jié)構(gòu)最佳匹配，獲得最終的脛骨墊片假體CAD模型(如圖10所示)。
[0045]4、根據(jù)上述各假體的CAD模型并通過3D打印技術(shù)來制造全膝關(guān)節(jié)置換假，其具體包括以下步驟:`[0046]I)將股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體的CAD模型導(dǎo)入快速成型輔助軟件MaterialiseMagics中進(jìn)行處理，包括擺放定位、添加支撐和分層，并將得到的分層文件保存為CLI格式(如圖11所示)。
[0047]2)將分層文件導(dǎo)入RPPath軟件中進(jìn)行掃描方式選擇及掃描間距的設(shè)置，得到二維信息數(shù)據(jù)后導(dǎo)入到快速成型系統(tǒng)Dimel-100，通入惰性氣體，進(jìn)行激光選區(qū)熔化的3D打印制造。
[0048]其中，激光選區(qū)熔化的3D打印制造具體為:柔性鋪粉機(jī)構(gòu)將粉末平整地鋪于基板上，然后激光在計(jì)算機(jī)控制下按照模型分層后的二維信息數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，粉末熔化后凝結(jié)在下一層基體上，然后成型缸下降粉料缸上升，鋪粉機(jī)構(gòu)再次送粉、鋪粉，熔化粉末，重復(fù)此過程，直到制造完成。上述的柔性鋪粉機(jī)構(gòu)、成型缸和粉料缸均屬于快速成型系統(tǒng)Dimel-100中的部件,故不再贅述。
[0049]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，3D打印制造的掃描方式為正交掃描，掃描間距設(shè)置為
0.08mm，加工層厚0.035mm，掃描速度700mm/s，激光功率160W。需要說明的，上述工藝參數(shù)不是固定要求，可以按照快速成型加工環(huán)境變化進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。
[0050]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中,惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?br> [0051]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，股骨置換假體和脛骨置換假體的制造材料可以選用生物醫(yī)學(xué)鈷鉻合金粉末或鈦合金粉末，但不僅限于這兩種材料。
[0052]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，脛骨墊片假體的制造材料可以選用生物醫(yī)學(xué)高分子量聚乙烯粉末，但不僅限于此種材料。
[0053]3)取出3D打印的股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體試件，實(shí)施后續(xù)熱處理、噴砂和拋光等工序，完成全膝關(guān)節(jié)置換假體成品的制造。
[0054]上述各實(shí)施例僅用于對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，包括: 1)基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立股骨和脛骨三維數(shù)字化模型的步驟； 2)運(yùn)用虛擬截骨軟件分別對股骨和脛骨三維數(shù)字化模型進(jìn)行模擬截骨的步驟； 3)逆向設(shè)計(jì)股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體的CAD模型的步驟； 4)根據(jù)上述各假體的CAD模型并通過3D打印技術(shù)來制造全膝關(guān)節(jié)置換假的步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，所述步驟I)具體包括: ①基于患者膝關(guān)節(jié)股骨的DICOM格式的CT/MRI斷層掃描圖像，運(yùn)用醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics，依據(jù)軟組織與骨骼在圖像中表現(xiàn)不同的灰度的特點(diǎn)進(jìn)行圖像分割、修補(bǔ)處理后，進(jìn)行三維重構(gòu)以獲得股骨三維數(shù)字化模型，并輸出為PLY格式文件； ②基于患者膝關(guān)節(jié)脛骨的DICOM格式的CT/MRI斷層掃描圖像，運(yùn)用醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics，依據(jù)軟組織與骨骼在圖像中表現(xiàn)不同的灰度的特點(diǎn)進(jìn)行圖像分割、修補(bǔ)處理后，進(jìn)行三維重構(gòu)以獲得脛骨三維數(shù)字化模型，并輸出為PLY格式文件。
3.如權(quán)利要求1所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，所述步驟2)具體包括: ①將股骨三維數(shù)字化模型的PLY格式文件導(dǎo)入GeomagicStudio軟件，首先建立股骨的機(jī)械軸，然后在機(jī)械軸的垂直面上找到股骨的外科上髁線，以股骨機(jī)械軸為Z軸、外科上髁線為X軸，根據(jù)右手笛卡爾坐標(biāo)系定則建立三維坐標(biāo)系；完成對股骨的定位后，按照全膝置換術(shù)的手術(shù)方案進(jìn)行模擬股骨遠(yuǎn)端截骨，獲得股骨的截除骨模型和保留骨模型，導(dǎo)出為STL格式文件； ②將脛骨三維數(shù)字化模型的PLY格式文件導(dǎo)入GeomagicStudio軟件，首先建立脛骨的機(jī)械軸，然后以脛骨機(jī)械軸為Z軸、外科上髁線為X軸，根據(jù)右手笛卡爾坐標(biāo)系定則建立三維坐標(biāo)系；完成對脛骨的定位后，將脛骨后傾7°，脛骨外側(cè)平臺(tái)下IOmm進(jìn)行模擬脛骨近端截骨，獲得脛骨的截除骨模型和保留骨模型，導(dǎo)出為STL格式文件。
4.如權(quán)利要求1所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，所述步驟3)具體包括: ①首先依據(jù)股骨的截除骨模型，提取股骨遠(yuǎn)端曲面形態(tài)，保持股骨遠(yuǎn)端曲面形態(tài)不變進(jìn)行光順與優(yōu)化，獲得股骨假體曲面形態(tài)；然后依據(jù)股骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形態(tài)特征，設(shè)計(jì)股骨假體貼合面特征；最后添加固定結(jié)構(gòu)，包括添加固定圓柱體以及后端連接柱體，獲取最終的股骨置換假體CAD模型； ②依據(jù)脛骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形態(tài)特征，設(shè)計(jì)脛骨假體貼合面特征；然后以脛骨骨髓腔形貌設(shè)計(jì)釘入物，獲得最終的脛骨置換假體CAD模型； ③依據(jù)股骨置換假體曲面和脛骨截除骨模型獲得脛骨墊片假體的基本形狀，設(shè)計(jì)脛骨墊片形態(tài)特征，使其與股骨假體曲面以及脛骨假體結(jié)構(gòu)最佳匹配，獲得最終的脛骨墊片假體CAD模型。
5.如權(quán)利要求1所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，所述步驟4)具體包括: ①將股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體的CAD模型導(dǎo)入快速成型輔助軟件MaterialiseMagics中進(jìn)行處理，包括擺放定位、添加支撐和分層，并將得到的分層文件保存為CLI格式； ②將分層文件導(dǎo)入RPPath軟件中進(jìn)行掃描方式選擇及掃描間距的設(shè)置，得到二維信息數(shù)據(jù)后導(dǎo)入到快速成型系統(tǒng)，通入惰性氣體，進(jìn)行激光選區(qū)熔化的3D打印制造； ③取出3D打印的股骨置換假體、脛骨置換假體和脛骨墊片假體試件，實(shí)施后續(xù)熱處理、噴砂和拋光的工序，完成全膝關(guān)節(jié)置換假體成品的制造。
6.如權(quán)利要求5所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，所述步驟4)的步驟②中，激光選區(qū)熔化的3D打印制造具體為:柔性鋪粉機(jī)構(gòu)將粉末平整地鋪于基板上，然后激光在計(jì)算機(jī)控制下按照模型分層后的二維信息數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，粉末熔化后凝結(jié)在下一層基體上，然后成型缸下降粉料缸上升，鋪粉系統(tǒng)再次送粉、鋪粉，熔化粉末，重復(fù)此過程，直到制造完成。
7.如權(quán)利要求6所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，3D打印制造的掃描方式為正交掃描，掃描間距設(shè)置為0.08mm，加工層厚0.035mm，掃描速度700mm/s，激光功率160W。
8.如權(quán)利要求5或6或7所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?br> 9.如權(quán)利要求1到7任一項(xiàng)所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，股骨置換假體和脛骨置換假體的制造材料選用生物醫(yī)學(xué)鈷鉻合金粉末或鈦合金粉末。
10.如權(quán)利要求1到7任一項(xiàng)所述的一種全膝關(guān)節(jié)置換假體的個(gè)性化逆向設(shè)計(jì)與制造方法，其特征在于，脛骨墊片假體的`制造材料選用生物醫(yī)學(xué)高分子量聚乙烯粉末。
【文檔編號】G06T19/00GK103860293SQ201410081733
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】余家闊, 楊波, 楊永強(qiáng), 宋長輝 申請人:北京大學(xué)第三醫(yī)院, 華南理工大學(xué)