[发明专利]一种全膝关节置换假体的个性化逆向设计与制造方法

权利要求书

1.一种全膝关节置换假体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，包括：

1）基于患者膝关节的医学影像数据建立股骨和胫骨三维数字化模型的步骤；

2）运用虚拟截骨软件分别对股骨和胫骨三维数字化模型进行模拟截骨的步骤；

3）逆向设计股骨置换假体、胫骨置换假体和胫骨垫片假体的CAD模型的步骤；

4）根据上述各假体的CAD模型并通过3D打印技术来制造全膝关节置换假的步骤。

2.如权利要求1所述的一种全膝关节置换假体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，所述步骤1）具体包括：

①基于患者膝关节股骨的DICOM格式的CT/MRI断层扫描图像，运用医学影像软件Mimics，依据软组织与骨骼在图像中表现不同的灰度的特点进行图像分割、修补处理后，进行三维重构以获得股骨三维数字化模型，并输出为PLY格式文件；

②基于患者膝关节胫骨的DICOM格式的CT/MRI断层扫描图像，运用医学影像软件Mimics，依据软组织与骨骼在图像中表现不同的灰度的特点进行图像分割、修补处理后，进行三维重构以获得胫骨三维数字化模型，并输出为PLY格式文件。

3.如权利要求1所述的一种全膝关节置换假体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，所述步骤2）具体包括：

①将股骨三维数字化模型的PLY格式文件导入Geomagic Studio软件，首先建立股骨的机械轴，然后在机械轴的垂直面上找到股骨的外科上髁线，以股骨机械轴为Z轴、外科上髁线为X轴，根据右手笛卡尔坐标系定则建立三维坐标系；完成对股骨的定位后，按照全膝置换术的手术方案进行模拟股骨远端截骨，获得股骨的截除骨模型和保留骨模型，导出为STL格式文件；

②将胫骨三维数字化模型的PLY格式文件导入Geomagic Studio软件，首先建立胫骨的机械轴，然后以胫骨机械轴为Z轴、外科上髁线为X轴，根据右手笛卡尔坐标系定则建立三维坐标系；完成对胫骨的定位后，将胫骨后倾7°，胫骨外侧平台下10mm进行模拟胫骨近端截骨，获得胫骨的截除骨模型和保留骨模型，导出为STL格式文件。

4.如权利要求1所述的一种全膝关节置换假体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，所述步骤3）具体包括：

①首先依据股骨的截除骨模型，提取股骨远端曲面形态，保持股骨远端曲面形态不变进行光顺与优化，获得股骨假体曲面形态；然后依据股骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形态特征，设计股骨假体贴合面特征；最后添加固定结构，包括添加固定圆柱体以及后端连接柱体，获取最终的股骨置换假体CAD模型；

②依据胫骨的保留骨模型，提取截骨保留骨面表面形态特征，设计胫骨假体贴合面特征；然后以胫骨骨髓腔形貌设计钉入物，获得最终的胫骨置换假体CAD模型；

③依据股骨置换假体曲面和胫骨截除骨模型获得胫骨垫片假体的基本形状，设计胫骨垫片形态特征，使其与股骨假体曲面以及胫骨假体结构最佳匹配，获得最终的胫骨垫片假体CAD模型。

5.如权利要求1所述的一种全膝关节置换假体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，所述步骤4）具体包括：

①将股骨置换假体、胫骨置换假体和胫骨垫片假体的CAD模型导入快速成型辅助软件MaterialiseMagics中进行处理，包括摆放定位、添加支撑和分层，并将得到的分层文件保存为CLI格式；

②将分层文件导入RPPath软件中进行扫描方式选择及扫描间距的设置，得到二维信息数据后导入到快速成型系统，通入惰性气体，进行激光选区熔化的3D打印制造；

③取出3D打印的股骨置换假体、胫骨置换假体和胫骨垫片假体试件，实施后续热处理、喷砂和抛光的工序，完成全膝关节置换假体成品的制造。

6.如权利要求5所述的一种全膝关节置换假体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，所述步骤4）的步骤②中，激光选区熔化的3D打印制造具体为：柔性铺粉机构将粉末平整地铺于基板上，然后激光在计算机控制下按照模型分层后的二维信息数据进行扫描，粉末熔化后凝结在下一层基体上，然后成型缸下降粉料缸上升，铺粉系统再次送粉、铺粉，熔化粉末，重复此过程，直到制造完成。

7.如权利要求6所述的一种全膝关节置换假体的个性化逆向设计与制造方法，其特征在于，3D打印制造的扫描方式为正交扫描，扫描间距设置为0.08mm，加工层厚0.035mm，扫描速度700mm/s，激光功率160W。