CN106618810A - 一种寰椎和枢椎钛合金假体制造方法 - Google Patents

一种寰椎和枢椎钛合金假体制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种寰椎和枢椎钛合金假体制造方法；将脊椎医学图像DICOM格式的CT断层扫描数据导入MINICS软件中，建立需修复脊椎的三维模型数据，数据在Geomagic软件中，进行修整降噪，导出STEP格式三维数据文件，导入SolidWorks软件中，分别在第三节脊椎和头骨处选取合适的设计面，并在两设计面之间建立假体雏形，保证假体与两设计面之间完全贴合，为了降低假体的弹性模量，实现轻量化设计，在SolidWorks中将假体内部用多孔网格状进行填充，在假体表面也设计多孔结构。

Description

一种寰椎和枢椎钛合金假体制造方法
技术领域
本发明涉及人工假体部件制备工艺，尤其涉及一种寰椎和枢椎钛合金假体制造方法。
背景技术
目前人工脊椎假体部件重建术的假体或支撑体主要包括椎间融合器、钛网以及人工骨等。这些材料在使用过程中各有优缺点，其中，钛合金椎间融合器和钛网具有良好的生物相容性和足够的强度，是目前应用最为广泛的一种。然而，因钛合金的弹性模量与人体自然骨弹性模量相差较大，容易造成应力屏蔽。
激光选区熔化技术是金属增材制造技术的一种，其具有的快速、准确、可成型任意复杂零件的特点促进了该技术近几年在医学应用领域的发展。采用激光选区熔化技术，可通过医学影像处理技术及逆向工程技术得到与原有骨组织曲面相贴合匹配的人工假体，更重要的是，激光选区熔化技术可以成型任意复杂形状零件的特点可成型内部多孔的钛合金假体，这样成型的假体不仅弹性模量可与人体自然骨相当，且多孔结构利于骨组织细胞的生长。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供种寰椎和枢椎钛合金假体制造方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种寰椎和枢椎钛合金假体制造方法，包括寰椎、枢椎个性化假体设计步骤及其3D打印机打印步骤；
步骤一：寰椎、枢椎个性化假体设计步骤
S11：将需要重构的脊椎医学图像DICOM格式的CT断层扫描数据导入MINICS软件中，建立需修复脊椎的三维模型数据；
S12：将MINICS数据导入Geomagic软件中，进行修整降噪，导出STEP格式三维数据文件；
S13：将STEP格式数据文件导入三维设计软件SolidWorks软件中，分别在第三节脊椎假体和头骨假体处选取合适的设计面，并在两设计面之间建立假体雏形，使假体与两设计面之间完全贴合；
S14：为了降低假体的弹性模量，实现轻量化设计，在SolidWorks中将假体内部用多孔网格状进行填充，在假体表面也设计多孔结构；
步骤二：个性化假体3D打印机打印步骤
S21：将设计的假体模型数据导入Materialise Magics软件中进行处理，得到模型切片数据；
S22：将得到的切片数据导入RPPath路径规划软件中，设置成型过程中的扫描间距等，得到最终的成型数据；
S23：将数据导入激光选区熔化成型设备中，通入保护气体，置入钛合金粉末，设置成型工艺参数，进行假体直接成型；
S24：对成型好的假体零件实施后续处理，包括打磨、喷砂、抛光等处理，形成最终的假体。
在步骤S11中，使用MINICS软件，其版本为10.01，根据软组织和骨骼不同灰度的特点，从医学图像进行还原，建立三维模型。
在步骤S14中，置换假体内部构建的多孔网状结构的多孔直径应在0.3mm以上，1.5mm以下。该范围内的孔径既能保证成型精度又能促进细胞在假体内的生长。
在步骤S21中，使用Materialise Magics软件进行切片，切片时采用的切片层厚为0.025至0.04mm。
在步骤S22中，成型的扫描间距设置为0.07mm至0.09mm。
在步骤S23中，激光选区熔化成型设备通入的保护气为氮气或氩气，成型的工艺参数分别为：激光功率为100W至200W，扫描速度为200mm/s至800mm/s，钛合金粉末为Ti6Al4V球形粉末。
步骤S21所述将设计的假体模型数据导入Materialise Magics软件中进行处理，包括定位、摆放方式、添加支撑、切片等操作，得到模型切片数据。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
通过CT数据直接选取头骨和脊椎的模型曲面，故贴合精度与CT数据精度相关，大大提高了贴合度；
激光选区熔化技术成型的假体能直接成型多孔网格结构，利于降低假体的弹性模量，减少应力屏蔽现象出现的可能。
附图说明
图1是本发明寰椎和枢椎钛合金假体制造工艺流程图；
图2是头骨模型和第三节脊椎模型示意图；
图3是选取设计面示意图一；
图4是选取设计面示意图二；
图5是初步设计的假体雏形；
图6是添加多孔结构后的假体主视图；
图7是添加多孔结构后的假体俯视图；
图8是添加多孔结构后的假体侧视图；
图9是假体用于脊椎重构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图1至9及具体实施例，对本发明作进一步具体详细描述。
本发明寰椎和枢椎钛合金假体制造工艺，是将患者需要重构的脊椎医学图像DICOM格式的CT断层扫描数据导入MINICS软件中，建立需修复脊椎的三维模型数据，数据在Geomagic软件中，进行修整降噪，导出STEP格式三维数据文件，导入SolidWorks软件中，分别在第三节脊椎模型和头骨模型处选取合适的设计面，并在两设计面之间建立假体雏形，保证假体与两设计面之间完全贴合，为了降低假体的弹性模量，实现轻量化设计，在SolidWorks中将假体内部用多孔网格状进行填充，在假体表面也设计多孔结构，便于骨组织细胞的生长。
具体工艺步骤可通过如下技术方案实现：
1、根据患者的CT断层扫描数据在MINICS 10.01软件中对脊椎的三维模型数据进行重构，建立需要进行脊椎修复的三维模型数据；
2、将MINICS数据导入Geomagic软件中，进行修整降噪，导出STEP格式三维数据文件；
3、将STEP格式数据导入SolidWorks软件中，见附图2。需要建立头骨和模型第三节脊椎模型之间的支撑假体模型，故在第三节脊椎模型和头骨模型处选择合适的设计面，如附图3、图4所示。
4、在设计面之间构建置换假体模型，形成假体模型雏形，并选择合适的置钉位置进行打孔，见附图5；
5、对假体模型进行多孔结构轻量化设计，假体模型外壳和内部都是轻量化的多孔结构，见附图6/7/8。假体模型与头骨模型和第三节脊椎模型之间可以实现完美的贴合，起到脊椎稳定性重构的目的，见附图9。
6、设计的假体模型数据导入Materialise Magics软件中，对假体模型进行支撑添加以及切片设计，切片的层厚为0.025mm至0.04mm。在此实施例中，层厚优选为0.035mm；
7、将切片数据文件导入RPPath软件中，设置扫描路径和扫描间距，扫描间距为0.07mm至0.09mm，在此实施例中扫描间距设置为0.08mm；
8、得到此扫描路径数据后，将其导入激光选区熔化设备中，设置合适的加工工艺参数：激光功率为100W至200W，扫描速度为200mm/s至800mm/s。在此实施例中，优选的激光功率为140W，扫描速度优选为600mm/s，采用的材料为Ti6Al4V球形粉末；
9、对成型好的假体零件实施后处理，包括打磨、喷砂、抛光等处理，形成最终的假体。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种寰椎和枢椎钛合金假体制造方法，其特征在于包括：寰椎、枢椎个性化假体设计步骤及其3D打印机打印步骤；
步骤一：寰椎、枢椎个性化假体设计步骤
S11：将脊椎医学图像DICOM格式的CT断层扫描数据导入MINICS软件中，建立脊椎假体的三维模型数据；
S12：将MINICS数据导入Geomagic软件中，进行修整降噪，导出STEP格式三维数据文件；
S13：将STEP格式数据文件导入三维设计软件SolidWorks软件中，分别在第三节脊椎假体和头骨假体处选取合适的设计面，并在两设计面之间建立假体雏形，使假体与两设计面之间完全贴合；
S14：为了降低假体的弹性模量，实现轻量化设计，在SolidWorks中将假体内部用多孔网格状进行填充，在假体表面也设计多孔结构。
步骤二：个性化假体3D打印机打印步骤
S21：将设计的假体模型数据导入Materialise Magics软件中进行处理，得到模型切片数据；
S22：将得到的切片数据导入RPPath路径规划软件中，设置成型过程中的扫描间距等，得到最终的成型数据；
S23：将数据导入激光选区熔化成型设备中，通入保护气体，置入钛合金粉末，设置成型工艺参数，进行假体直接成型；
S24：对成型好的假体零件实施后续处理，包括打磨、喷砂、抛光等处理，形成最终的假体。
2.根据权利要求1所述寰椎和枢椎钛合金假体制造方法，其特征在于：在步骤S11中，使用MINICS软件，其版本为10.01，根据软组织和骨骼不同灰度的特点，从医学图像进行还原，建立三维模型。
3.根据权利要求1所述寰椎和枢椎钛合金假体制造方法，其特征在于：在步骤S14中，置换假体内部构建的多孔网状结构的多孔直径应在0.3mm以上，1.5mm以下。
4.根据权利要求1所述寰椎和枢椎钛合金假体制造方法，其特征在于，在步骤S21中，使用Materialise Magics软件进行切片，切片时采用的切片层厚为0.025至0.04mm。
5.根据权利要求1所述寰椎和枢椎钛合金假体制造方法，其特征在于，在步骤S22中，成型的扫描间距设置为0.07mm至0.09mm。
6.根据权利要求1所述寰椎和枢椎钛合金假体制造方法，其特征在于，在步骤S23中，激光选区熔化成型设备通入的保护气为氮气或氩气，成型的工艺参数分别为：激光功率为100W至200W，扫描速度为200mm/s至800mm/s，钛合金粉末为Ti6Al4V球形粉末。
7.根据权利要求1所述寰椎和枢椎钛合金假体制造方法，其特征在于，步骤S21所述将设计的假体模型数据导入Materialise Magics软件中进行处理，包括定位、摆放方式、添加支撑、切片等操作，得到模型切片数据。
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