專利名稱：個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物制備方法及其人工半關(guān)節(jié)替代物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療行業(yè)的骨關(guān)節(jié)修復(fù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)使用的人工關(guān)節(jié)替代物有兩種方式一種方法是雙側(cè)全置換人工關(guān)節(jié)，它切除了對(duì)側(cè)尚沒有受損的關(guān)節(jié)面，增加了手術(shù)范圍，不利于術(shù)后康復(fù)和功能恢復(fù)，特別是對(duì)于發(fā)育期的青少年患者，截骨造成的對(duì)骨骺的破壞，破壞了肢體的發(fā)育能力；另一種方法是用異體骨移植，它存在手術(shù)后關(guān)節(jié)面壞死及關(guān)節(jié)面匹配性差，從而影響關(guān)節(jié)功能恢復(fù)的問題。以上方法均難以解決個(gè)體化置換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和快速成型(Rapid Prototyping)技術(shù)，依據(jù)病人CT圖像設(shè)計(jì)和制造個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物制備方法。
本發(fā)明的另一發(fā)明目的是提供個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物。
本發(fā)明提供針對(duì)以上個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物的手術(shù)定位器。
實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的的技術(shù)方案是這樣解決的個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物制備方法依次按下述步驟進(jìn)行a、利用患者健全側(cè)關(guān)節(jié)進(jìn)行CT掃描，獲取骨組織圖像數(shù)據(jù)；b、利用圖像處理技術(shù)，對(duì)圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡面對(duì)稱處理，依據(jù)軟組織與骨質(zhì)在CT圖像中灰度的差異進(jìn)行圖像分割，提取輪廓數(shù)據(jù)，得到關(guān)節(jié)軟骨和骨骼輪廓數(shù)據(jù)；c、將獲得的骨輪廓數(shù)據(jù)，輸入反求軟件或CAD軟件進(jìn)行關(guān)節(jié)骨面三維重構(gòu)；d、在關(guān)節(jié)骨面上設(shè)計(jì)生物連接器和髓內(nèi)針聯(lián)接樁；e、按照所設(shè)計(jì)的個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面，進(jìn)行手術(shù)定位器的設(shè)計(jì)與制造；
f、將設(shè)計(jì)好的CAD模型轉(zhuǎn)化成快速成型文件格式，用快速成型技術(shù)制備成人工半關(guān)節(jié)面替代物的原型；g、對(duì)原型實(shí)施后處理，精密熔模鑄制備成人工半關(guān)節(jié)替代物；h、整體裝配人工半關(guān)節(jié)。
本發(fā)明提供單側(cè)關(guān)節(jié)面的替代物治療方法，僅更換受損的單側(cè)關(guān)節(jié)面，且關(guān)節(jié)面替代物的外表面其受損前的關(guān)節(jié)面相同，實(shí)現(xiàn)了替代物與對(duì)側(cè)關(guān)節(jié)面的匹配運(yùn)動(dòng)。在關(guān)節(jié)面替代物的內(nèi)表面的連接結(jié)構(gòu)，面上安裝有生物連接器和髓內(nèi)針連接樁。生物連接器為與髓內(nèi)針方向平行的圓柱筒，筒周圍開有4-6mm的小孔，其中將填入自體松質(zhì)骨或人工生物材料。髓內(nèi)針連接樁是內(nèi)表面上的一個(gè)圓柱臺(tái)，圓柱臺(tái)中為錐度為自鎖莫氏錐度的錐孔，其方向的確定方法為分別取病人股骨的最大截面和最小截面，連接兩截面的中心，該方向?yàn)榈盟鑳?nèi)針連接樁的方向；髓內(nèi)針連接樁將與手術(shù)中安裝的髓內(nèi)針連接。為保證手術(shù)關(guān)節(jié)面替代物的安裝，發(fā)明關(guān)節(jié)面替代物的手術(shù)定位器，其結(jié)構(gòu)包括定位模和裝夾器。定位模以關(guān)節(jié)面的曲面為基準(zhǔn)面的快速成型件，其中有三個(gè)定位孔，分別對(duì)應(yīng)髓內(nèi)針和生物連接器方向和尺寸。手術(shù)定位器包括由裝夾器的基座、底端夾具和頂端夾具組成，固定定位模和修復(fù)骨，便于手術(shù)操作。
本發(fā)明與目前常用的全關(guān)節(jié)置換相比，不僅解決了個(gè)體匹配化制造問題，同時(shí)保留了對(duì)側(cè)沒有受損的關(guān)節(jié)面，減小了手術(shù)范圍，利于術(shù)后康復(fù)和功能恢復(fù)。特別是對(duì)于發(fā)育期的青少年患者，減少了截骨造成的對(duì)骨骺的破壞，最大程度保留肢體的發(fā)育能力。整個(gè)系統(tǒng)均采用快速制造技術(shù)，對(duì)于創(chuàng)傷等需要在短時(shí)間內(nèi)手術(shù)治療的病例提供了時(shí)間上的保障。生物連接器和髓內(nèi)針系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)假體與宿主骨的生物性連接，減少松動(dòng)、疼痛等晚期并發(fā)癥。適用于對(duì)側(cè)關(guān)節(jié)面正常的半關(guān)節(jié)損傷患者，包括創(chuàng)傷、腫瘤、關(guān)節(jié)炎等各種原因造成的半關(guān)節(jié)面破壞需要進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換的病例?？梢愿鶕?jù)每一位患者的不同損傷情況進(jìn)行個(gè)體化的設(shè)計(jì)與制造。
仿生個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)替代物具有以下特點(diǎn)①關(guān)節(jié)內(nèi)面帶兩個(gè)生物連接器，手術(shù)時(shí)內(nèi)置自體骨及BMP、FGF、TGF等骨生長因子，起生物固定關(guān)節(jié)面的作用。②人工關(guān)節(jié)面以患者患側(cè)關(guān)節(jié)軟骨外表面輪廓為外表面。內(nèi)表面因手術(shù)不同而定，可以是異體骨外表面，也可以是手術(shù)修正后的自體骨外表面。③人工關(guān)節(jié)與髓內(nèi)針相結(jié)合。④個(gè)體化制造。該設(shè)計(jì)和制造可達(dá)到人工關(guān)節(jié)面與患者正常側(cè)關(guān)節(jié)面的最佳匹配。
提出的針對(duì)個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)替代物，解決異體骨移植手術(shù)后關(guān)節(jié)面壞死及關(guān)節(jié)面匹配性差，從而影響關(guān)節(jié)功能恢復(fù)的問題。提出的利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和工程學(xué)技術(shù)，依據(jù)病人CT圖像復(fù)制替代的關(guān)節(jié)面形狀的個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面制造方法。用該種方法制造出的關(guān)節(jié)面與大段異體骨或自體骨配合使用，以解決異體骨單側(cè)移植手術(shù)中關(guān)節(jié)軟骨壞死的問題?？扇〉藐P(guān)節(jié)面理想的生理學(xué)重建和后期良好的功能。
四

圖1為本發(fā)明的制備流程圖；圖2為關(guān)節(jié)內(nèi)表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為關(guān)節(jié)外表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為手術(shù)定位器結(jié)構(gòu)示意圖。
五具體實(shí)施例方式
附圖為本發(fā)明的其中一種實(shí)施例。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明參照?qǐng)D1所示，流程圖即為本發(fā)明的制備方法，依次按下述步驟進(jìn)行a、利用患者健全側(cè)關(guān)節(jié)進(jìn)行CT掃描，獲取骨組織圖像數(shù)據(jù)；b、利用圖像處理技術(shù)，對(duì)圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡面對(duì)稱處理，依據(jù)軟組織與骨質(zhì)在CT圖像中灰度的差異進(jìn)行圖像分割，提取輪廓數(shù)據(jù)，得到關(guān)節(jié)軟骨和骨骼輪廓數(shù)據(jù)；c、將獲得的骨輪廓數(shù)據(jù)，輸入反求軟件或CAD軟件進(jìn)行關(guān)節(jié)骨面三維重構(gòu)；d、在關(guān)節(jié)骨面上設(shè)計(jì)生物連接器和髓內(nèi)針聯(lián)接樁，以提高假體在人體內(nèi)安裝的牢固性；e、按照所設(shè)計(jì)的個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面，進(jìn)行手術(shù)定位器的設(shè)計(jì)與制造；f、將設(shè)計(jì)好的CAD模型轉(zhuǎn)化成快速成型文件格式，用快速成型技術(shù)制備成人工半關(guān)節(jié)面替代物的原型；g、對(duì)原型實(shí)施后處理，精密熔模鑄制備成人工半關(guān)節(jié)替代物；h、整體裝配人工半關(guān)節(jié)。
快速成型技術(shù)，是一種新興的數(shù)字化制造技術(shù)，在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)物體的CAD模型或CT等數(shù)據(jù)，通過材料的堆積成型，快速制造任意結(jié)構(gòu)的原型?？焖俪尚图夹g(shù)的特點(diǎn)是特別適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)物件、單件或小批量物件的生產(chǎn)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域與CT結(jié)合，針對(duì)單側(cè)關(guān)節(jié)面精確匹配的個(gè)體化特殊要求，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)等生物替代物個(gè)體化快速制造。
圖2、圖3、圖4所示，個(gè)體化半關(guān)節(jié)面替代物包括由半關(guān)節(jié)體4、生物連接器1、髓內(nèi)針連接樁3和手術(shù)定位器組成。個(gè)體化半關(guān)節(jié)面替代物為金屬材料制造。在半關(guān)節(jié)體4替代物的內(nèi)表面2的連接結(jié)構(gòu)上安裝有生物連接器1和髓內(nèi)針連接樁3，生物連接器1設(shè)有其結(jié)構(gòu)為與髓內(nèi)針方向平行的圓柱筒，筒周圍開有4-6mm的小孔，其中將填入自體松質(zhì)骨或人工生物材料。髓內(nèi)針連接樁3是內(nèi)表面2上的一個(gè)圓柱臺(tái)，圓柱臺(tái)中為錐度為自鎖莫氏錐度(3°)的錐孔，其方向的確定方法為分別取病人股骨的最大截面和最小截面，連接兩截面的中心，該方向?yàn)榈盟鑳?nèi)針連接樁3的方向；髓內(nèi)針連接樁3將與手術(shù)中安裝的髓內(nèi)針連接。為保證手術(shù)關(guān)節(jié)面替代物的安裝，發(fā)明關(guān)節(jié)面替代物的手術(shù)定位器，其結(jié)構(gòu)包括定位模和裝夾器。定位模12以關(guān)節(jié)面的曲面為基準(zhǔn)面的快速成型件，其中有三個(gè)定位孔，分別是髓內(nèi)針瞄準(zhǔn)孔5和生物連接器瞄準(zhǔn)孔6，裝夾器由基座9、底端夾具10和頂端夾具11組成，用于固定定位模12和被修復(fù)骨8，定位模12的曲面與被修復(fù)骨8上的關(guān)節(jié)面曲面7相同。
權(quán)利要求
1.個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物制備方法，其特征在于個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物制備方法依次按下述步驟進(jìn)行a、利用患者健全側(cè)關(guān)節(jié)進(jìn)行(CT)掃描，獲取骨組織圖像數(shù)據(jù)；b、利用圖像處理技術(shù)，對(duì)圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡面對(duì)稱處理，依據(jù)軟組織與骨質(zhì)在(CT)圖像中灰度的差異進(jìn)行圖像分割，提取輪廓數(shù)據(jù)，得到關(guān)節(jié)軟骨和骨骼輪廓數(shù)據(jù)；c、將獲得的骨輪廓數(shù)據(jù)，輸入反求軟件或(CAD)軟件進(jìn)行關(guān)節(jié)骨面三維重構(gòu)；d、在關(guān)節(jié)骨面上設(shè)計(jì)生物連接器和髓內(nèi)針聯(lián)接樁；e、按照所設(shè)計(jì)的個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面，進(jìn)行手術(shù)定位器的設(shè)計(jì)與制造；f、將設(shè)計(jì)好的(CAD)模型轉(zhuǎn)化成快速成型文件格式，用快速成型技術(shù)制備成人工半關(guān)節(jié)面替代物的原型；g、對(duì)原型實(shí)施后處理，精密熔模鑄制備成人工半關(guān)節(jié)替代物；h、整體裝配人工半關(guān)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物制備方法，其特征在于僅更換受損的單側(cè)關(guān)節(jié)面，且關(guān)節(jié)面替代物的外表面與受損前的關(guān)節(jié)面相同。
3.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物，其特征在于所描述的人工半關(guān)節(jié)面(4)替代物是模擬人體仿生的關(guān)節(jié)面替代物，包括一個(gè)半關(guān)節(jié)體(4)和內(nèi)表面(2)，內(nèi)表面(2)的連接結(jié)構(gòu)面上安裝有生物連接器(1)、髓內(nèi)針連接樁(3)及固定被修復(fù)骨(8)的手術(shù)定位器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物，其特征在于基于所描述的生物連接器(1)，其結(jié)構(gòu)為與髓內(nèi)針方向平行的圓柱筒，筒周圍開有4-6mm的小孔，其中將填入自體松質(zhì)骨或人工生物材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物，其特征在于基于所描述的髓內(nèi)針連接樁(3)是內(nèi)表面(2)上的一個(gè)圓柱臺(tái)，圓柱臺(tái)中為錐度為自鎖莫氏錐度的錐孔，其方向的確定方法為分別取病人股骨的最大截面和最小截面，連接兩截面的中心，該方向?yàn)榈盟鑳?nèi)針連接樁(3)的方向；髓內(nèi)針連接樁(3)將與手術(shù)中安裝的髓內(nèi)針連接。
6.一種實(shí)現(xiàn)個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物安裝的手術(shù)定位器，其特征在于所述手術(shù)定位器，其結(jié)構(gòu)包括定位模(12)和裝夾器，定位模以關(guān)節(jié)面的曲面為基準(zhǔn)面的快速成型件，其中有三個(gè)定位孔，分別對(duì)應(yīng)髓內(nèi)針和生物連接器方向和尺寸；裝夾器由基座(9)與底端夾具(10)連接、底端夾具(10)與頂端夾具(11)連接，頂端夾具(11)固定定位模(12)和修復(fù)骨(8)，定位模12的曲面與被修復(fù)骨8上的關(guān)節(jié)面曲面7相同。
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)個(gè)體化人工半關(guān)節(jié)面替代物制備方法及關(guān)節(jié)替代物，個(gè)體化半關(guān)節(jié)面替代物由半關(guān)節(jié)體、生物連接器、髓內(nèi)針連接樁和手術(shù)定位器組成。其按下述步驟進(jìn)行利用患者健側(cè)關(guān)節(jié)進(jìn)行CT掃描、圖像處理、通過軟件進(jìn)行關(guān)節(jié)軟骨面三維重構(gòu)；設(shè)計(jì)半關(guān)節(jié)體，在其上設(shè)計(jì)生物連接器和髓內(nèi)針連接樁，設(shè)計(jì)定位模，用快速成型機(jī)制備成人工半關(guān)節(jié)面替代物原型；精密熔模鑄制備成人工關(guān)節(jié)；整體裝配人工關(guān)節(jié)。該發(fā)明解決個(gè)體匹配化制造問題，保留對(duì)側(cè)沒有受損的關(guān)節(jié)面，減小手術(shù)范圍，利于術(shù)后康復(fù)和功能恢復(fù)。對(duì)于發(fā)育期患者，減少了截骨造成的對(duì)骨骺的破壞，最大程度保留肢體發(fā)育能力。適應(yīng)創(chuàng)傷、腫瘤、關(guān)節(jié)炎等造成的半關(guān)節(jié)面破壞進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換的病例。
文檔編號(hào)A61F2/30GK1480111SQ0313437
公開日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2003年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月8日
發(fā)明者李滌塵, 王臻, 孫明林, 盧秉恒, 張虎, 騰勇 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué), 中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)