[发明专利]一种个性化全膝关节植入假体逆向设计与制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及医学植入膝关节假体的快速模具制造，尤其是一种个性化全膝关节植入假体逆向设计与制造方法。

背景技术

骨关节炎、类风湿是现在中老年人所患较为常见的慢性关节疾病，而目前为止，全膝置换手术已经成为比较有效的治疗方式。全膝置换术中使用的置换假体是标准化生产的通用产品，现大多采用数控精加工传统生产方式制造，由于生产设备的原因，不仅生产周期长、成本高，而且难以达到个性化手术、定制化假体设计与生产的最高治疗理念；而传统的模具制造方法同样具有加工柔性差的特点，一旦有设计上的改变就需要重新制作模具，模具的制作结合机加工方式，生产周期长，小批量生产时平分到每个工件上的工时与成本就较大。

快速模具制造是不同于传统机加工模具制作的一种新方法新工艺,可以快速开发用于传统铸造工艺的模具,减少模具生产时间,提高模具的生产率。快速成型技术有多种工艺方法，其中选区激光烧结技术已发展的比较成熟。可用于选区激光烧结的材料较多，常用的有石蜡、尼龙、聚碳酸酯、金属粉末等。该技术的特点是成型工艺简单、材料利用率高、可选材料广泛（石蜡、尼龙、聚碳酸酯、金属粉末等）、成本低，成型不受零件复杂程度的影响，因而在医用植入体领域得到了广泛应用。但是选区激光烧结技术是基于烧结成型的原理，即烧结温度在材料熔点以下，因而所获得的成型件多孔疏松，还需经后处理才能用于铸造成型；另外，当前选区激光烧结设备多是通用性设备，由于用途多样化、材料多样化，往往设备的体积都较为庞大、价格相对昂贵，难以推广到一般的用户。

激光选区熔化技术作为一种新型快速成型技术，发展已日趋成熟，并且已被验证能够成功应用于生物医学制造领域。其采用激光高温加热使选区内材料完全熔化的方式，逐层堆积为实体零件，具有生产周期短、小批量及准确成型具有复杂结构零件的特征，并且成型零件组织致密、精度高，无需后处理工艺，节省时间与成本；同时，容易实现成型设备小型化，降低设备制造成本。

利用激光选区熔化技术结合模具铸造技术作为膝关节植入假体的新型制造方法，将打破传统模具铸造制造领域占据大量人力与时间的局面，实现从设计到生产之间的快速过程，大大提高生产能力，增大设计更改空间，为医学植入体的制造研究与生产开启新领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种个性化全膝关节植入假体逆向设计与制造方法，用以解决膝关节置换假体不能对国人膝关节结构达到最佳匹配，容易造成病患术后不适症状的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明一种个性化全膝关节植入假体逆向设计与制造方法，包括下述步骤：

S1、基于病患者膝关节的标准医学图像CT/MRI扫描原始数据，通过图像分割、编辑、三维计算处理，完成患者膝关节骨骼立体数字化模型的提取，以CAD数据形式存储；

S2、根据患者个体情况进行数字化虚拟截骨，医生根据患者情况，直接对数字化原生骨形态模型进行截骨操作，且截骨过程与真实手术方案相同；

S3、将截除骨块拼合，还原原生骨形态，形成股骨截除骨模型，将胫骨截除去骨模型与半月板形态拼合，形成胫骨截除骨模型；

S4、对股骨与胫骨垫片配合曲面形态优化，将股骨远端原生骨曲面形态以及胫骨截除去骨模型与半月板形态拼合曲面进行光顺，形成光滑的股骨曲面形态以及其相应配合的胫骨配合曲面，得到膝关节植入假体三维CAD数据模型；

S5、对上述膝关节植入假体三维CAD数据模型导入快速成型辅助软件中进行处理，包括摆放定位、添加支撑、切片分层，获得膝关节植入假体的多层切片二维CAD数据模型；

S6、将膝关节植入假体的多层切片二维CAD数据模型文件导入激光选区熔化3D打印设备，设置加工工艺参数，对石蜡粉末进行激光选区熔化快速成型，从而制得所述膝关节植入假体蜡模；

S7、利用快速成型膝关节植入假体蜡模采用精密熔模铸造的方式实现个性化金属膝关节植入假体的生产制造。

优选的，步骤S1中，进一步包括根据患者个体医学影像数据提取全膝关节骨骼模型，所述全膝关节骨骼模型包括全膝关节股骨、胫骨以及半月板，其形态均为患者骨原生形态。

优选的，步骤S6中，得到膝关节植入假体蜡模的具体步骤为：基于离散水平分层数据加工，采用激光选区熔化微细蜡粉，在已完成加工层新铺一层粉末，通过控制激光扫描填充分层模型轮廓内区域完成当前层加工，反复进行直至所有层加工完成。

优选的，步骤S5中，分层的厚度为0.025～0.04mm。