[发明专利]一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法

说明书

本发明提出了一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，先进行跟骨模型的三维重建，之后提取和构建跟骨外侧曲面轮廓、构建跟骨曲面钢板雏形与配置螺钉、跟骨雏形钢板的有限元分析及拓扑优化重设计，最后3D打印成型。该方法基于个性化治疗原则，突破了传统设计和制造技术的限制，有效恢复跟骨高度和关节面复位的平整性，结合3D打印个性化制造实现解剖形态匹配和固定刚度的最大化，从而提高跟骨骨折钢板内固定治疗的效果。根据该方法设计的跟骨钢板解决了传统跟骨内固定钢板难以达到的个性化解剖匹配、固定稳定性不足和植入物相关软组织并发症等问题，易于塑形、切迹更低、生物力学稳定性更好、术后皮瓣坏死风险更低。

技术领域

本发明涉及骨关节损伤临床修复重建和植入式医疗器械设计技术领域，尤其涉及一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法。

背景技术

跟骨骨折是临床上常见的一种骨折类型，常由高处坠下或挤压致伤。典型的跟骨骨折具有以下特点：1)多数骨折均波及距下关节面：前、中、后三个关节面均可受到累及；2)往往伴有严重的骨质压缩和塌陷：垂直压缩载荷使得以松质骨为主要结构的跟骨发生严重的关节面塌陷，同时内部松质骨被压缩，往往手术复位后会形成关节软骨下方出现空洞而缺乏有效关节面支撑；3)常常并发严重的软组织血供障碍：跟骨粉碎性骨折常常呈现显著的骨折块向内外侧移位，该部位皮瓣菲薄，血供条件代偿能力较差，移位骨折块的侧向压迫往往加剧这一状况。

除了少部分无移位的跟骨骨折类型，绝大多数跟骨骨折都需要手术切开复位内固定治疗，因此，通过跟骨钢板的螺钉内固定治疗已然成为了目前跟骨骨折的主流手术方式。目前现有的跟骨钢板的植入多采用外侧入路植入，而外侧入路在清楚显露距下关节面的同时，其术后发生皮瓣坏死的风险也相对较高。同时，临床上常用的外侧入路内固定跟骨钢板多为普通的分枝状重建钢板，其厚度较薄，虽易于术中塑形，但无法提供足够的成角稳定性，支撑关节面效果不佳，往往需要患者取自体骨植入。而跟骨锁定钢板则有效克服了以上的不足，大大提高了骨折固定的稳定性。尽管如此，锁定钢板同样存在着切迹过大、难以塑形、解剖匹配度差以及术后皮瓣坏死风险过高等问题。

上述传统规格化的跟骨钢板产品，解剖匹配度、钢板切迹以及支撑重建效果均难以满足临床骨折治疗需求，固定效果无法实现个体化和最优化，特别在定制化方面，传统制造手段获取的定制化植入跟骨钢板具有成本高、加工困难等局限，不利于临床推广应用。

因此，针对上述现有技术不足，如何综合运用医学影像和工程结构优化技术来进行跟骨内固定钢板的个性化设计和制造以实现易于塑形、切迹更低、生物力学稳定性更好、术后皮瓣坏死风险更低的个性化跟骨内固定钢板是解决目前跟骨骨折内固定治疗问题的关键，提供一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明提供了一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，通过该方法设计制造的个性化跟骨内固定钢板具有易于塑形、切迹更低、生物力学稳定性更好、术后皮瓣坏死风险更低的特点。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

提供一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，依次包括如下步骤：

S1.采集同一目标对象双侧跟骨的计算机断层成像数据，并将所获得的断层成像数据导入三维重建软件进行图像分割处理，建立同一目标对象双侧跟骨的三维模型，同一目标对象的双侧跟骨三维模型包括健侧跟骨三维模型和患侧跟骨三维模型；

S2.利用三维建模软件，将健侧跟骨三维模型通过矢状面对称的方式镜像成像至患侧，得到患侧骨折发生前的完整结构参考模型，导出为STL文件；

S3.将完整结构参考模型对应的STL文件导入逆向工程软件中进行模型表面修饰处理，并构造跟骨外侧骨面轮廓的曲面片，拟合成跟骨实体模型；