[发明专利]基于3D打印的个体化定制膝关节仿生假体的制作方法

说明书

基于3D打印的个体化定制膝关节拓扑优化仿生假体的制作方法涉及医用人工关节技术领域，解决了亟需一种制作方法以降低假体松动或者假体周围骨折的问题，包括：建立胫骨模型和膝关节假体模型并组装、进行有限元分析和拓扑优化；进行光顺；设计模型具体结构，优化保留内部区域采用实体结构、优化保留外层区域和优化去掉区域都采用网格结构、且区域之间形成梯度；导回和胫骨模型的组装状态，再进行有限元分析，与第一次有限元分析结果对比并判断是否进行3D制造和应用，若不能制造或应用则重新拓扑优化。通过本发明制备的假体降低假体松动或者假体周围骨折的问题发生，为韧带止点植入和内部植骨提供空间，假体重量轻，有利于骨组织长入。

技术领域

本发明涉及医用人工关节技术领域，具体涉及基于3D打印的个体化定制膝关节仿生假体的制作方法。

背景技术

膝关节周围大范围缺损多见于骨巨细胞瘤、膝关节翻修术及创伤，常伴有关节结构破坏，需进行关节置换手术。当缺损范围较大且周围韧带破坏严重时，常用肿瘤型铰链膝关节假体。当缺损较大且韧带需要保留时，国内外无特定型假体，绝大多数仍采用肿瘤型铰链膝关节假体。如图1所示，但是此类假体对周围韧带附着点破坏大，胫骨和股骨侧假体长柄与残余骨之间存在应力屏蔽(两个弹性模量不同的材料一起受力的时候，弹性模量大的会承受较多的应力)，界面负荷过重，易导致假体疲劳失效甚至假体周围骨折。

为解决上述问题，申请人在国内外首次采用3D打印技术，设计出可与半限制性表面膝关节假体配合使用的个体化定制解剖形态仿生重建假体，成功取代了肿瘤型铰链膝关节，相关病例报道本课题组SCI论文已于2017年发表，为Luo W,Huang L,Liu H,Qu W,ZhaoX,Wang C,Li C,Yu T,Han Q,Wang J,Qin Y(2017)Customized Knee Prosthesis inTreatment of Giant Cell Tumors of the Proximal Tibia:Application of 3-Dimensional Printing Technology in Surgical Design.Medical science monitor:international medical journal of experimental and clinical research 23:1691-1700.DOI 10.12659/msm.901436；如图2所示，初期设计为全实体钛合金，后期改用全微孔设计，内有加强梁加固。不过该膝关节假体在利用有限元技术进行受力分析后发现，膝关节假体长柄远端存在较为明显的应力集中现象、假体柄与残余骨之间应力屏蔽依然较大、远端微动较为明显，可能会引起患者术后疼痛以及假体周围骨组织破坏从而引起假体松动或者假体周围骨折，因此亟需一种膝关节仿生假体的制作方法以降低假体松动或者假体周围骨折的问题发生。

发明内容

为了解决现有亟需一种膝关节仿生假体的制作方法以降低假体松动或者假体周围骨折的问题，本发明提供基于3D打印的个体化定制膝关节仿生假体的制作方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

基于3D打印的个体化定制膝关节拓扑优化仿生假体的制作方法，包括如下步骤：

步骤1、根据CT数据对胫骨进行三维重建得到胫骨三维模型，对胫骨三维模型进行网格划分并赋予其密度值，得到非均质胫骨模型；

步骤2、设计膝关节假体模型，所述膝关节假体的下端具有用于插入胫骨的长柄；

步骤3、在Magics中，将膝关节假体模型与非均质胫骨模型进行匹配组装，并模拟手术过程，得到膝关节假体和胫骨的组装模型，在所述模拟手术过程中进行布尔运算；

步骤4、将膝关节假体和胫骨的组装模型导入hypermesh中，建立膝关节假体和胫骨组装状态的有限元模型并进行有限元分析，得到膝关节假体和胫骨的应力、位移和应变能的分布结果；