[发明专利]一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法

权利要求书

1.一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

①获取脊柱侧弯患者的CT断层图像数据，并完成三维建模，获得患者的侧弯脊柱三维几何模型和软组织三维几何模型，得A脊柱模型和B软组织模型；

②基于脊柱侧弯患者躯干的二维截面轮廓曲线绘制矫形器的截面轮廓曲线，得C截面轮廓曲线；

③对C截面轮廓曲线进行放样操作，得到D矫形器曲面模型；

④将D矫形器曲面模型向外拉伸，得到E矫形器模型；

⑤基于骨重建理论，通过有限元方法对E矫形器模型进行密度分布优化，得到F矫形器密度分布图；

⑥基于F矫形器密度分布图和矫形器三点压力矫形原理，对E矫形器模型进行减重设计，得G矫形器模型；

⑦对G矫形器模型进行背部开口，并在开口两侧开设用于安装矫形器束带的矩形孔，得H矫形器模型；

⑧将H矫形器模型、A脊柱模型和B软组织模型一同导入有限元软件中进行有限元生物力学仿真评价，对于评价不好的H矫形器模型，返回步骤②中重新绘制，对于评价良好的H矫形器模型，作为最终模型通过3D打印得到成品矫形器；

所述步骤②中脊柱侧弯患者躯干的二维截面轮廓曲线包括骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线和脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线；

所述骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线为三条，所述脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线为十三条；

所述骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的绘制方法是在B软组织模型上作三个等距且平行于水平面的绘制平面，该绘制平面与骨盆区域处的B软组织模型相交且平分该区域，绘制平面和骨盆区域处的B软组织模型在相交位置的曲线为骨盆区域处的矫形器二维截面轮廓曲线；所述脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线的绘制方法是在第五胸椎到第五腰椎之间的十三节椎体的中心作平行于水平面的十三个平面，该十三个平面与B软组织模型在相交后形成十三条相交曲线，然后对十三条相交曲线进行平移和旋转后得到脊柱区域处的矫形器二维截面轮廓曲线；

所述相交曲线的具体平移方法是在该相交曲线的所在截面中，以椎体中心和该截面的交点为起点，以骶骨中垂线与该截面的交点为终点，将相交曲线从起点平移至终点；所述相交曲线的具体旋转方法是将相交曲线以骶骨中垂线作为中心线进行旋转，旋转角度为相交曲线在背部最后缘两点连线与两侧髂后上棘连线间的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，其特征在于：所述步骤⑧中的H矫形器模型在返回步骤②中重新绘制时，对相交曲线的旋转角度和平移幅度进行调整，调整过程中保持相交曲线的平移方向不变。

3.根据权利要求1所述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，其特征在于：所述步骤④中D矫形器曲面模型的向外拉伸距离为4～8mm。

4.根据权利要求1所述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，其特征在于，所述步骤⑥中E矫形器模型的具体减重方法为：

(6.1)基于矫形器三点压力矫形原理，对E矫形器模型在侧弯脊柱凹侧顶椎区域开设大孔作为应力释放区，并对E矫形器模型在侧弯脊柱凸侧腋下区域和骨盆区域部分去除，同时保留E矫形器模型在侧弯脊柱凸侧顶椎区域部分，得e1矫形器模型；

(6.2)基于F矫形器密度分布图，对e1矫形器模型在低密度区开设小孔，该低密度区为密度小于e1矫形器模型平均密度五分之一的区域，得G矫形器模型。

5.根据权利要求1所述的一种个性化3D打印脊柱侧弯矫形器的设计方法，其特征在于：所述步骤⑧中的评价方法以软组织应力和Cobb角矫正量作为评价指标，当Cobb角矫正量低于百分之十或软组织应力超过安全范围时，认为评价不好。