[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种人工膝关节假体的设计与制造方法，具体涉及一种基于原生骨形态全膝关节置换假体的个性化逆向设计与制造方法。

背景技术

目前，骨性关节炎、类风湿性关节炎是老年人常见的关节疾病，严重影响患者的生活质量，缺乏有效的保守治疗方法。对于晚期骨关节病的患者来说，全膝置换术现在已广泛应用于临床，成为治疗此类疾病的有效治疗方法，可以减轻患者的病痛，提高生活质量。

研究显示每个患者个体的膝关节解剖形态都是不一样，而目前全膝置换用膝关节假体系统都是标准化、模块化设计的几种不同型号的假体，这样标准化的假体和患者个人的膝关节形态就会出现不匹配。假体与膝关节形态不匹配会造成假体的覆盖不全或悬挂，进而造成假体的磨损、使用寿命缩短以及关节置换术后膝关节疼痛、肿胀等临床症状，甚至造成假体翻修的可能。因此有必要设计出与膝关节形态达到最佳匹配的假体，提高手术效果，减少并发症。这就需要针对每个患者设计制造个性化的膝关节假体。但是，现有的膝关节假体加工技术一般采用模具铸造、数控精加工等方法，无法实现膝关节假体的个性化设计与定制化加工制造。

激光选区熔化技术作为一种新型加工技术，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，逐层堆积实体零件，可以准确成型复杂结构零件，并且成型零件组织致密、精度高。利用激光选区熔化技术作为膝关节假体的新型制造方法，将打破膝关节假体传统模具铸造方式，实现膝关节假体的个性化加工制造。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于原生骨形态全膝关节置换假体的个性化逆向设计与制造方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：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。

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。

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。

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。