CN108056850B - 小儿前臂个性化保护性支具的制作方法 - Google Patents

小儿前臂个性化保护性支具的制作方法 Download PDF

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Abstract

一种小儿前臂个性化保护性支具的制作方法，包括以下步骤：步骤I，患儿肢体三维信息采集；步骤II，3D个性化掌侧、背侧支具模型设计；步骤III，轻量化网格结构设计；以及步骤IV，实施3D打印得到掌侧支具和背侧支具。本发明的个性化支具模型是基于患儿肢体的特定三维信息进行设计，再利用3D打印材料实施3D打印获得，因而能够更好地贴合患儿肢体，轻量化设计使得本发明的保护性支具减轻了患儿负重，避免患儿产生抗拒心理，更适于临床应用于儿童患者。

Description

小儿前臂个性化保护性支具的制作方法
技术领域
本发明涉及一种保护性支具的制作方法,尤其涉及一种小儿前臂个性化保护性支具的制作方法
背景技术
临床工作中，儿童患者在经历前臂手术，如骨折复位、肿物切除或肌腱黏连松解等术后常常需要保护性支具固定2-5周。这种保护性支具起到临时性保护、制动患肢的作用，有利于维持手术的治疗效果。目前，临床常用的保护性支具主要包括小夹板、石膏等，临床医生针对成人使用这类保护性支具拥有丰富的经验，但是针对儿童患者使用这些保护性支具时存在诸多不便之处。以目前临床上最常用的石膏托为例，石膏托配合绷带固定后，由于患儿术后肢体的肿胀明显，而且随着患肢肿胀的减轻，往往仅固定后第二天就会出现绷带的脱落，石膏拖贴合不佳，所以石膏托难以很好的贴合患肢。因此，此时需要重新制作石膏托来重新固定，不仅给家长术后护理造成不必要的麻烦，更是给患儿造成不必要的痛苦。而且石膏托存在重量大、硬度大、不透气等缺点，敷料绷带包裹后体积较大，不利于患儿活动，整体使用体验不佳，患儿易产生抗拒心理。
为解决上述问题，虽然临床医生已尝试应用弹力绷带固定或低温热塑性树脂等方法制作支具，但是整体效果依然欠佳。其原因在于，基于患儿肿胀的肢体来制作的贴合患肢的塑形支具势必会造成肿胀消退后支具与肢体的三维结构不贴合。
21世纪3D打印(Three Dimensional Printing)技术的快速发展，使得其在骨科领域针对手术模拟、内植入物设计等方面有巨大优势。3D个性化设计及打印技术具有任意性、制作周期短等特点，为骨科外固定保护性支具的制作提供了新的技术手段。国内外已有相关文献报道，基于患者三维数据个性化制作成人踝关节骨折固定支具、单一指骨骨折固定、膝关节畸形矫形支具、脊柱侧弯矫形支具等相关研究，为新型保护性支具的设计及制造提供了一定经验。然而，目前尚无相关文献针对儿童术后保护性支具的报道，且因儿童这一人群的特殊性，其个性化定制的需求及难度最大。
发明内容
为了解决以上问题，本发明在3D打印技术的基础上，提供了一种适合儿童患者前臂的，贴合固定效果极佳的，重量轻的，透气性好的小儿前臂个性化保护性支具的制作方法。
一种小儿前臂个性化保护性支具的制作方法，包括以下步骤：
步骤I，患儿肢体三维信息采集；
步骤II，3D个性化掌侧、背侧支具模型设计；
步骤III，轻量化网格结构设计；以及
步骤IV，实施3D打印得到掌侧支具和背侧支具。
优选地，步骤I中，应用3D扫描仪提取所述患儿健侧肢体三维结构信息。
优选地，标记患儿健侧肢体特征解剖标记点，分别标记前臂的桡骨茎突、尺骨茎突、肱骨外上髁、内上髁，在尺骨茎突与内上髁连线及桡骨茎突与外上髁连线上粘贴体表定位线，并且扫描时保证扫描以尺侧、桡侧的体表标记。
优选地，所述患儿健侧肢体三维结构信息包括所述患儿健侧肢体的掌侧的三维结构信息和背侧的三维结构信息。
优选地，所述患儿健侧肢体三维结构信息的提取还包括测量所述患儿第一节指骨长度。
优选地，所述3D个性化支具模型设计包括：分别将所述掌侧的三维结构信息和所述背侧的结构信息导入到设计软件中，提取所述患儿健侧肢体三维结构信息，修剪提取的手指区域长度略小于所述第一节指骨长度，镜像处理并向外扩增形成具有体积的可用于患侧肢体的原始模型。
优选地，所述轻量化网格结构设计包括所述原始模型的掌侧中央区域轻量化设计和背侧中央区域轻量化设计，所述掌侧中央区域轻量化设计和背侧中央区域轻量化设计均采用布尔加运算添加网格结构。
优选地，在所述轻量化网格结构设计之后，进行两边加孔设计，所述两边加孔设计采用布尔减运算得到最终的带孔的轻量化网格结构的支具模型。
优选地，所述3D打印所用材料为聚己内酯。
优选地，所述保护性支具的两片支具在临床应用时的固定采用带有弹力的绑带。
利用本发明实施例提供的小儿前臂个性保护性支具的制作方法得到的保护性支具的优点在于：其根据患者手臂的三维结构信息进行制作，能够更好地贴合患者手臂；轻量化设计，使得该个性化保护性支具透气性良好外，还能够便于医护人员观察肢体；两片支具间弹性固定，给予肢体肿胀的空间，可以根据患者手臂的肿胀程度及时调整固定强度保证肢体贴合；应用聚己内酯(PCL)打印，支具本身具有一定的弹性，更好贴合且减轻支具重量，方便患儿日常活动。
附图说明
图1为本发明提供的小儿前臂的个性化保护性支具的制作方法的流程图。
图2为三维扫描仪提取患者健侧前臂三维结构信息的体表标记示意图。
图3为3D个性化支具模型设计过程的示意图。
图4为轻量化设计添加网格结构的设计过程示意图。
图5为3D打印模型实物及前臂的个性化保护性支具患者应用实例。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点能够更加清楚明了，以下将结合附图以及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应该清楚的是，此处所描述的具体实施例的作用仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种小儿前臂的个性化保护性支具的制作方法。该方法包括以下步骤：
步骤I：患儿肢体三维信息采集，其主要包括体表标记，采集健侧肢体掌侧和背侧三维信息。
步骤II：3D个性化掌侧、背侧支具模型设计，其主要包括三维信息镜像处理，将掌、背侧匹配并赋予厚度、曲面平滑等。
步骤III：轻量化网格结构设计，其主要包括轻量化网格结构设计，模型修饰等；
步骤IV：实施3D打印得到掌侧支具和背侧支具。
以下将对各步骤进行详细说明。
具体地，在执行步骤I之前，首先要明确诊断患儿的患侧肢体，优选地，主要包括医护人员详细询问病史，仔细进行体格检查，进行必要的影像学诊断。在步骤I中，所采集的是患儿健侧肢体的三维信息。具体地，在充分明确诊断的情况下，标记患儿健侧肢体特征解剖标记点，分别标记如图2所示的前臂的桡骨茎突(PSR)、尺骨茎突(PSU)、肱骨外上髁(CLH)、内上髁(CMH)。在尺骨茎突与内上髁连线及桡骨茎突与外上髁连线上粘贴4cm体表定位线。测量患儿第一节指骨(P)长度(如图2(D)所示)。
优选地，在采集肢体三维信息时，应用手持式三维扫描仪分别扫描健侧前臂掌侧(如图2(A)所示)和健侧前臂背侧(如图2(B)所示)两面的前臂三维结构信息。在扫描过程中应保持手持稳定，匀速扫描，扫描时要保证扫描到尺侧、桡侧的体表标记。将扫描的掌侧、背侧三维结构信息输出为STL(Stereolithography，光固化立体造型术)格式保存。
随后，执行步骤II，即3D个性化支具模型设计。如图3所示，该步骤主要包括：
1)将扫描获得的STL模型导入设计软件中，去除扫描的其他非目标结构。
2)提取扫描肢体的掌侧(如图3(A)所示)、背侧(如图3(E)所示)的两个表面，提取过程中需以尺侧、桡侧的体表标记为基准，使所提取出的面小于体表标志，在手掌处提取的平面应略长余第一指骨的长度。
3)分别平滑修饰所提取表面及轮廓线，修复提取过程中个别的漏洞。
4)局部平顺修复内卷的表面边缘及适当修剪使提取的手指区域长度略小于测量的第一指骨长度，确保贴合肢体且允许指间关节的活动；
5)将修饰好的表面向外扩增5mm，使之成为有体积的两个模型，优选地，掌侧与背侧向外扩增的厚度相同得到原始支具模型的如图3(C)所示的掌侧和如图3(G)所示的背侧，最后再进行适当的平滑曲面、轮廓线修饰，操作同前。
6)将修饰成型的两个模型镜像处理得到可用于患侧肢体的原始模型。
然而，可以想到的是，在其他实施例的3D个性化模型设计中，也可以在提取健侧肢体的信息后，先进行镜像处理，再进行模型的设计。
在3D个性化支具模型设(步骤II)之后，进行轻量化网格结构设计(即步骤III)。如图4所示，在步骤III中，优选地，上述两个模型采用相同的方法一一分别操作，以下选取掌侧模型为例进行详细说明。
1)首先，在模型外表面贴合创建一环形轮廓线，轮廓线内部表面即为如图4(A)所示的轻量化区域。轻量化区域可以根据患儿情况个性化设计，优选地，一般轻量化的区域为前臂，且优选地，区域面积与模型边缘留有1.5cm左右的距离，供后续添加固定孔洞。
2)将所创建的轮廓线平滑修饰后，将内部表面与原始表面分离成为两个表面。优选地，如图4(B)-4(G)所示，轻量化目标表面首先向内扩增6mm，向外扩增1mm保存为“1-切割模型”，再向内扩增4mm保存为“2-网格模型”。
3)将原始掌侧整体模型与“1-切割模型”应用布尔减运算将两部分相减得到除轻量化外的边框部分。
4)将“2-网格模型”创建表面和内部网格。并选择对应创建的Graph输出为STL格式(参数设置：Thickness：2.5；Accuracy：0.5；Connection Thickness：0.25)。应用布尔加运算将网格模型和边框模型相加得到掌侧轻量化设计模型。
利用上述操作1)-4)得到背侧轻量化设计模型，如图4(H)-4(N)所示。
此后，创建两个模型的旋转动量轴，并将其与坐标系X、Y、Z轴对合。适当调整对合角度。此时掌、背侧模型对合位置明确，在本实施例中，创建长2mm，宽10mm，高50mm立方体摆放于掌、背侧模型相应打孔固定的位置，布尔减运算得到最终的带孔的轻量化网格结构的支具模型，将其输出为STL格式。
最后，进行步骤IV，即实施3D打印。优选地，如图5(A)-5(D)所示，应用PCL为材料打印上述创建的STL模型，获得小儿前臂个性化保护性支具。
临床应用所述个性化保护支具时，将保护性支具匹配患肢，优先选用带有弹力的绑带调整松紧，检查支具是否满意。最后打磨、去除毛刺后应用于临床患者的骨折固定。图5(E)和5(F)所示为具体的临床应用。
在本实施例中，支具贴合肢体，轻量化网格可以减轻重量并观测患肢情况；掌侧与背侧两片支具之间通过弹性固定，保证固定确切且给予患肢肿胀的空间。此外，由于所述两片支具基于患儿肢体三维信息进行个性化设计及制作，因而能够更好地贴合患儿肢体。此外，轻量化设计使得本发明的保护性支具减轻了患儿负重，避免患儿产生抗拒心理，更适于临床应用于儿童患者。

Claims (7)

1.一种小儿前臂个性化保护性支具的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤I，患儿健侧前臂三维结构信息采集，包括采集所述患儿健侧前臂的掌侧的三维结构信息和背侧的三维结构信息，以及测量所述患儿第一节指骨长度；
步骤II，3D个性化掌侧、背侧支具模型设计，包括分别将所述掌侧的三维结构信息和所述背侧的结构信息导入到设计软件中，提取所述患儿健侧前臂三维结构信息，修剪提取的手指区域长度小于所述第一节指骨长度以确保贴合肢体且允许指间关节的活动，镜像处理并向外扩增形成具有体积的可用于患侧前臂的原始模型；
步骤III，轻量化网格结构设计；以及
步骤IV，实施3D打印得到患侧前臂的掌侧支具和背侧支具，所述掌侧支具与背侧支具彼此弹性固定。
2.根据权利要求1所述的小儿前臂个性化保护性支具的制作方法，其特征在于，步骤I中，应用3D扫描仪提取所述患儿健侧前臂三维结构信息。
3.根据权利要求2所述的小儿前臂个性化保护性支具的制作方法，其特征在于，标记患儿健侧前臂特征解剖标记点，分别标记前臂的桡骨茎突、尺骨茎突、肱骨外上髁、内上髁，在尺骨茎突与内上髁连线及桡骨茎突与外上髁连线上粘贴体表定位线，并且扫描时保证扫描到尺侧、桡侧的体表标记。
4.根据权利要求1所述的小儿前臂个性化保护性支具的制作方法，其特征在于，所述轻量化网格结构设计包括所述原始模型的掌侧中央区域轻量化设计和背侧中央区域轻量化设计，所述掌侧中央区域轻量化设计和背侧中央区域轻量化设计均采用布尔加运算添加网格结构。
5.根据权利要求1所述的小儿前臂个性化保护性支具的制作方法，其特征在于，在所述轻量化网格结构设计之后，进行两边加孔设计，所述两边加孔设计采用布尔减运算得到最终的带孔的轻量化网格结构的支具模型。
6.根据权利要求1所述的小儿前臂个性化保护性支具的制作方法，其特征在于，所述3D打印所用材料为聚己内酯。
7.根据权利要求1所述的小儿前臂个性化保护性支具的制作方法，其特征在于，所述掌侧支具和背侧支具在临床应用时的固定采用带有弹力的绑带。
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