CN114948350A - 3d打印一体化髋臼重建假体***及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种3D打印一体化髋臼重建假体***及其制备方法。涉及3D打印技术领域，包括：重建双侧髋关节三维模型，修整患侧髋臼的边缘，采用镜像运算创建患侧髋臼缺损补充模型；将补充模型与髋臼杯模型合并为一体化髋臼假体；根据一体化髋臼假体及髋臼解剖，设计术中定位导板、髋臼杯内壁预留固定螺钉钉孔及髋臼杯与内衬锁定装置；对一体化髋臼假体模型进行结构优化及模仿骨小梁结构多孔化处理；基于3D打印技术制备一体化髋臼假体***。本发明提供一种将髋臼的旋转中心恢复至解剖位置，建立正常的关节活动机制，恢复髋臼结构完整性，并同时解决大范围骨缺损的一体化髋臼重建假体***，其具备良好的力学支撑与初始稳定性。

Description

3D打印一体化髋臼重建假体***及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种针对髋臼大范围缺损拟行髋关节置换术或髋关节翻修术的3D打印一体化髋臼重建假体***及其制备方法。
背景技术
人工髋关节置换是治疗髋关节疾病的一种安全、有效的手段。但有部分患者由于各种原因如假体松动、关节不稳定以及关节感染等，需要进行髋关节翻修术。对于髋关节置换术后因骨溶解、感染等所致的髋臼大范围、不规则解剖形态的骨缺损，使用常规的髋臼假体无法解决，而髋臼结构的重建效果直接关系到手术成败。
对于髋臼壁缺损的重建方法既往只能通过超大髋臼杯、金属垫块和骨移植来解决。但是，如果髋臼为大块骨缺损，髋臼前后壁、髋臼顶或者内壁受到破坏，传统的方法是利用金属垫块、骨块与髋臼杯结合来重建关节，但是，多组件的固定不能够提供良好的初始稳定性，同时存在组件间微动、松动的可能，无法保证重建术后假体的远期稳定性。所以，修复骨质缺损严重的髋臼，恢复其正常的解剖学形态及满足力学支撑强度等都是非常复杂的问题。
每个人的髋臼骨缺损大小及形状各不相同。3D打印技术可根据患者自身解剖结构实现个性化定制，通过髋臼骨缺损的大小与形状制备出个性化的补块。但是，利用3D打印技术设计出的个性化髋臼缺损补块还需要与髋臼杯进行固定，髋臼杯中还需要放置内衬，即多个部件需要固定连接。但是多部件固定会存在固定件之间的松动与微动，支撑性和稳定性都不太好。而且，由于在实际手术过程中需要使用磨钻对髋臼缺损部位的坏死骨、硬化骨进行清理，清理后的髋臼无法与术前设计的个性化髋臼补块相互匹配，手术操作复杂。
因此，设计一种能够修复各种不同类型髋臼缺损的髋臼重建假体***是亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种3D打印一体化髋臼重建假体***及其制备方法，将髋臼的旋转中心恢复至解剖位置，建立正常的关节活动机制，恢复髋臼结构完整性，并同时解决大范围骨缺损，无需植骨或仅需少量植骨，其具备良好的力学支撑与初始稳定性，具有重要的临床应用价值。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一方面，本发明提供了一种3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法，所述方法包括：
步骤1、采集病患髋关节的薄层CT影像数据并基于所述薄层CT影像数据创建双侧髋关节三维模型；
步骤2、利用所述双侧髋关节三维模型，对健侧及患侧的髋臼进行解剖学测量和分析，修整缺损髋臼边缘，模拟使用髋臼锉去除髋臼周围的坏死骨及硬化骨，使其修整后的缺损形状为半球形；
步骤3、根据健侧的髋臼解剖学特征以骨盆正中矢状位为参考进行镜像运算，得到患侧髋臼缺损补充三维模型；
步骤4、测量患侧股骨头直径，根据所述患侧股骨头直径确定髋臼杯的尺寸；根据患者骨骼形态与质量确定术中拟使用的产品类型，依据选择的产品类型与所述髋臼杯的尺寸绘制髋臼杯三维模型；
步骤5、根据所述患侧髋臼缺损补充三维模型确定髋臼中心点位置；将所述髋臼杯三维模型放置于标准位置，使所述髋臼杯三维模型的中心点与所述髋臼中心点重合，并确定所述髋臼杯三维模型的前倾角、外展角及髋臼旋转中心；
步骤6、按照所述髋臼中心点位置，将所述患侧髋臼缺损补充三维模型与所述髋臼杯三维模型使用布尔运算合并成一体化髋臼假体三维模型；
步骤7、根据患者骨量情况，在髂骨、坐骨、耻骨支骨量大于预设值处预留螺钉钉孔，将一体化假体与软组织接触面、与内衬套件接触面、预留螺钉钉孔分别采取厚实体处理，其余部分行骨小梁多孔结构处理，基于计算机辅助技术对所述一体化髋臼假体三维模型进行表面光滑和结构支撑处理的可制造性优化；
步骤8、基于3D打印技术制备优化处理后的一体化髋臼假体三维模型，得到3D打印一体化髋臼重建假体***。
进一步地，得到患侧髋臼缺损补充三维模型之后，还包括：
设计术中配合使用的髋臼定位导板，提取缺损补充模块边缘至患侧髂前上棘的骨表面，厚度向外均匀扩增2mm，生成实体导板；协助确定术中磨锉范围，使磨锉范围与术前修整设计一致；
基于3D打印技术制备所述髋臼定位导板。
进一步地，所述髋臼定位导板以髂前下棘为参考点，固定在缺损的髋臼边缘，导板与髂骨面紧密贴合，导板预留用于固定于髋臼边缘的克氏针固定孔。
进一步地，在绘制髋臼杯三维模型之后，还包括：
根据拟使用的内衬类型设计出相应的髋臼杯锁定结构，确保髋臼杯内壁或边缘结构与术中拟使用的内衬套件能够完全锁定。
进一步地，所述螺钉钉孔的直径为6mm。
进一步地，将一体化假体与软组织接触面、与内衬套件接触面、预留螺钉钉孔预设范围分别采取厚实体处理，包括：
一体化假体与软组织及内衬套件的接触面采取2mm厚实体处理；
预留螺钉钉孔0.5mm-3mm范围内采取1.5mm厚实体处理。
进一步地，所述骨小梁多孔结构处理，包括：
截取预先生成的多孔骨小梁结构模型，以获得正六面体多孔骨小梁模型；基于所述六面体多孔骨小梁模型使得一体化髋臼假体模型内部生成若干多孔化结构。
进一步地，在基于3D打印技术制备优化处理后的一体化髋臼假体三维模型之前，还包括：
对骨盆三维模型和一体化髋臼假体三维模型进行有限元分析，获得髋臼修复之前以及髋臼修复之后两种模拟状态下的负重位应力分布分析结果；
比较两种负重位应力分布分析结果，若髋臼修复之后所对应的负重位应力分布分析结果符合所设定的应力分布均匀条件并满足相应材料的生物力学要求，则基于3D打印技术制备优化处理后的一体化髋臼假体三维模型；否则返回步骤3重新创建髋臼补充材料三维模型。
进一步地，步骤8之后还包括：
基于3D打印技术制备修复优化处理后的所述髋臼实体、一体化髋臼假体实体、髋臼定位导板进行模拟手术以验证实体间的匹配度，确保一体化髋臼假体与修整后的髋臼缺损实现结构间的压配稳定。
又一方面，本发明还提供了一种基于3D打印技术的一体化髋臼重建假体***，所述一体化髋臼重建假体***根据上述3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法制备。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)目前现有技术为利用3D打印技术设计出髋臼缺损补块与髋臼杯进行固定，但多部件固定会存在固定件之间的松动与微动。本发明创新性提出利用3D打印技术将髋臼缺损补块与髋臼杯假体整合为一体化假体***，既能重建髋臼的结构完整性，还能减少多部件固定之间的微动及松动。
2)本发明的3D打印一体化髋臼重建假体***的构建方法可以将髋关节的旋转中心恢复至正常解剖位置，并通过有限元分析验证，更能满足正常生物力学要求；依据术前CT影像，修整髋臼边缘、去除多余的坏死骨及硬化骨，使缺损补块为较规整的半球形，可更好的实现术中的假体与宿主骨之间的压配稳定，降低术后假体的松动风险。
3)本发明的3D打印一体化髋臼重建假体***的构建方法，术前可在软件中可实现假体与宿主骨之间的匹配规划，使手术实现精准化、个性化、简单化，降低手术的复杂程度，提高手术的精确度，同时减少手术时间，缩短术后恢复时间。
4)本发明的3D打印一体化髋臼重建假体***采用多孔骨小梁结构，有利于内植物-骨界面的骨长入，使假体与宿主骨之间融合，以确保植入体的长期稳定性。
5)本发明提供了术中导板设计方法，依据患者髂骨三维模型设计而成，与髂骨贴附性好，可协助更快确定术中髋臼磨锉范围，缩短手术时间，假体安放位置更准确，有利于术后功能恢复。
6)本发明中髋臼杯假体边缘设计锁定装置，可根据术前选用内衬产品型号，个性化设计锁定装置，使内衬与髋臼杯固定更牢固。
7)本发明中假体固定螺钉位置个性化，可根据患者骨量情况，在髂骨、坐骨、耻骨支骨量丰富处预留螺钉钉孔，使假体固定位置更加精准、效果更加牢固。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中3D打印一体化髋臼重建假体***制备流程图；
图2为本发明实施例中一种3D打印一体化髋臼重建假体***的示意图；
图3为本发明实施例中又一种3D打印一体化髋臼重建假体***的示意图；
图4为本发明实施例中一种角度的术中定位导板示意图；
图5为本发明实施例中又一种角度的术中定位导板示意图；
图6为本发明实施例中一种角度的3D打印一体化髋臼重建假体***在髋臼的安放位置示意图；
图7为本发明实施例中又一种角度的3D打印一体化髋臼重建假体***在髋臼的安放位置示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法，包括以下具体步骤：
步骤1、采集病患髋关节的薄层CT影像数据并基于所述薄层CT影像数据创建双侧髋关节的三维模型。
步骤2、利用所述的三维模型，对健侧及患侧的髋臼进行解剖学测量和分析，修整缺损髋臼边缘，模拟使用髋臼锉去除髋臼周围的坏死骨及硬化骨，使其修整后的缺损形状近似于较规整的半球形。
步骤3、根据健侧的髋臼解剖学特征以骨盆正中矢状位为参考进行镜像运算，得到患侧髋臼缺损补充三维模型；若患者无健侧髋臼，则使用其他健康患者的髋臼模型创建髋臼缺损补充三维模型。
步骤4、根据髋臼缺损补充三维模型，设计术中配合使用的髋臼定位导板，提取缺损补充模块边缘至患侧髂前上棘的骨表面，厚度向外均匀扩增2mm，生成实体导板；协助确定术中磨锉范围，使磨锉范围与术前修整设计一致。
步骤5、测量股骨头的直径，以股骨头直径+2mm确定髋臼杯的内径，内径+8mm确定髋臼杯外径。根据患者患髋的形态与质量选择拟使用的内衬及股骨头假体产品类型，依据选择的产品类型与前述确定的髋臼杯大小绘制出髋臼杯三维模型。
步骤6、设计髋臼杯与内衬锁定装置，可根据拟使用的内衬类型设计出相应的髋臼杯锁定结构，确保髋臼杯内壁或边缘结构与术中拟使用的内衬套件能够完全锁定。锁定装置的结构如1mm宽环形凹槽结构、半圆形或矩形凹槽结构等，所有与内衬匹配的锁定结构均在本发明保护范围内，此处不做具体限定。
步骤7、根据髋臼缺损补充三维模型，确定髋臼中心点位置。将所述髋臼杯假体模型放置于标准位置，使髋臼杯模型中心点与患侧髋臼中心点重合，并确定其前倾角、外展角及髋臼旋转中心。
步骤8、将修整后的个性化髋臼缺损补充模型与髋臼杯假体模型使用布尔运算整合合并成为个性一体化髋臼假体。
步骤9、根据患者骨量情况，在髂骨、坐骨、耻骨支骨量丰富处(骨量大于15mm)预留6mm直径螺钉钉孔，预留的钉孔周围(0.5mm-3mm范围内)采取1.5mm厚实体处理。将一体化假体与软组织及内衬套件的接触面采取2mm厚实体处理。其余部分行骨小梁多孔结构处理，平均孔隙率为50-70％。基于计算机辅助技术对所述一体化髋臼假体三维模型进行可制造性优化。可制造性优化至少包括：表面光滑和结构支撑处理。此外，进行的优化还包括：对模型进行细化网格、骨面缺损修复、快速光顺、精确曲面功能等模型修复。
步骤10、对骨盆三维模型、一体化髋臼假体三维模型进行有限元分析。
在有限元分析软件中将骶髂关节与耻骨联合处的边界条件设置为自由度完全约束。在股骨头中心和与髋臼杯配套的股骨头假体中心点分别施加代表2.75倍的个体质量的垂直向上的反作用力，以模拟单足站立姿势的状态。获得髋臼修复之前以及髋臼修复之后两种模拟状态下的负重位应力分布分析结果。
步骤11、比较两种负重位应力分布分析结果，若髋臼修复之后所对应的负重位应力分布分析结果符合所设定的应力分布均匀条件并满足相应材料的生物力学要求，则进行下一步；否则返回步骤3重新创建髋臼缺损补充三维模型；
步骤12、基于3D打印技术，制备修复优化处理后的一体化髋臼假体三维模型及髋臼定位导板；
打印材料包括但不限于钽、钛、钛合金、高分子材料、生物陶瓷。
步骤13、基于3D打印技术制备修复优化处理后的所述髋臼实体、一体化髋臼假体实体、髋臼定位导板进行模拟手术以验证实体间的匹配度，确保一体化髋臼假体与修整后的髋臼缺损实现结构间的压配稳定。
如图2和图3所示，本发明实施例提供的一种3D打印一体化髋臼重建假体***，其包括个性化定制的髋臼缺损补块1和髋臼杯2，缺损补块1形状为半球形，便于与磨钻后的患侧髋臼进行压配，缺损补块1和髋臼杯2为3D打印制备出的一体结构，此外该假体***与软组织及内衬套件的接触面采取2mm厚实体处理，其余部分行骨小梁多孔结构处理，平均孔隙率为50-70％。髋臼杯2边缘可个性化设计与对应内衬的锁定装置21。在髂骨、坐骨、耻骨支可根据患者的骨量情况个性化预留6mm直径螺钉钉孔3，预留的钉孔周围采取1.5mm厚实体处理。所述髋臼缺损补块1和髋臼杯2的打印材料为钽。
与3D打印一体化髋臼重建假体***相配合使用的手术导板，如图4和图5所示，其利用患髋的髂前下棘作为参考点，3紧扣于髂前下棘，导板本体1可以与髂骨紧密贴附，预留两处克氏针导管，用于***克氏针将导板临时固定于髂骨上。磨钻可沿导板下缘4进行髋臼修整。所述定位导板可采用高分子生物材料，基于3D打印技术进行打印并一体成型。
在进行髋关节置换术时，先剥离髋臼上方缺损部位的软组织，将定位导板使用克氏针临时安装到预定位置；随后使用磨钻对髋臼缺损部位的坏死骨、硬化骨进行清理，待清理至磨钻边缘与导板下缘平齐后，进行髋臼修整，之后将3D打印一体化髋臼重建假体***置于髋臼中，夯实压配，螺钉固定，放置内衬即可。安放位置如图6、图7所示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、采集病患髋关节的薄层CT影像数据并基于所述薄层CT影像数据创建双侧髋关节三维模型；
步骤2、利用所述双侧髋关节三维模型，对健侧及患侧的髋臼进行解剖学测量和分析，修整缺损髋臼边缘，模拟使用髋臼锉去除髋臼周围的坏死骨及硬化骨，使其修整后的缺损形状为半球形；
步骤3、根据健侧的髋臼解剖学特征以骨盆正中矢状位为参考进行镜像运算，得到患侧髋臼缺损补充三维模型；
步骤4、测量患侧股骨头直径，根据所述患侧股骨头直径确定髋臼杯的尺寸；根据患者骨骼形态与质量确定术中拟使用的产品类型，依据选择的产品类型与所述髋臼杯的尺寸绘制髋臼杯三维模型；
步骤5、根据所述患侧髋臼缺损补充三维模型确定髋臼中心点位置；将所述髋臼杯三维模型放置于标准位置，使所述髋臼杯三维模型的中心点与所述髋臼中心点重合，并确定所述髋臼杯三维模型的前倾角、外展角及髋臼旋转中心；
步骤6、按照所述髋臼中心点位置，将所述患侧髋臼缺损补充三维模型与所述髋臼杯三维模型使用布尔运算合并成一体化髋臼假体三维模型；
步骤7、根据患者骨量情况，在髂骨、坐骨、耻骨支骨量大于预设值处预留螺钉钉孔，将一体化假体与软组织接触面、与内衬套件接触面、预留螺钉钉孔分别采取厚实体处理，其余部分行骨小梁多孔结构处理，基于计算机辅助技术对所述一体化髋臼假体三维模型进行表面光滑和结构支撑处理的可制造性优化；
步骤8、基于3D打印技术制备优化处理后的一体化髋臼假体三维模型，得到3D打印一体化髋臼重建假体***。
2.根据权利要求1所述的3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法，其特征在于，得到患侧髋臼缺损补充三维模型之后，还包括：
设计术中配合使用的髋臼定位导板，提取缺损补充模块边缘至患侧髂前上棘的骨表面，厚度向外均匀扩增2mm，生成实体导板；协助确定术中磨锉范围，使磨锉范围与术前修整设计一致；
基于3D打印技术制备所述髋臼定位导板。
3.根据权利要求2所述的3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法，其特征在于，所述髋臼定位导板以髂前下棘为参考点，固定在缺损的髋臼边缘，导板与髂骨面紧密贴合，导板预留用于固定于髋臼边缘的克氏针固定孔。
4.根据权利要求1所述的3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法，其特征在于，在绘制髋臼杯三维模型之后，还包括：
根据拟使用的内衬类型设计出相应的髋臼杯锁定结构，确保髋臼杯内壁或边缘结构与术中拟使用的内衬套件能够完全锁定。
5.根据权利要求1所述的3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法，其特征在于，所述螺钉钉孔的直径为6mm。
6.根据权利要求1所述的3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法，其特征在于，将一体化假体与软组织接触面、与内衬套件接触面、预留螺钉钉孔预设范围分别采取厚实体处理，包括：
一体化假体与软组织及内衬套件的接触面采取2mm厚实体处理；
预留螺钉钉孔0.5mm-3mm范围内采取1.5mm厚实体处理。
7.根据权利要求1所述的3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法，其特征在于，所述骨小梁多孔结构处理，包括：
截取预先生成的多孔骨小梁结构模型，以获得正六面体多孔骨小梁模型；基于所述六面体多孔骨小梁模型使得一体化髋臼假体模型内部生成若干多孔化结构。
8.根据权利要求1所述的3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法，其特征在于，在基于3D打印技术制备优化处理后的一体化髋臼假体三维模型之前，还包括：
对骨盆三维模型和一体化髋臼假体三维模型进行有限元分析，获得髋臼修复之前以及髋臼修复之后两种模拟状态下的负重位应力分布分析结果；
比较两种负重位应力分布分析结果，若髋臼修复之后所对应的负重位应力分布分析结果符合所设定的应力分布均匀条件并满足相应材料的生物力学要求，则基于3D打印技术制备优化处理后的一体化髋臼假体三维模型；否则返回步骤3重新创建髋臼补充材料三维模型。
9.根据权利要求1所述的3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法，其特征在于，步骤8之后还包括：
基于3D打印技术制备修复优化处理后的所述髋臼实体、一体化髋臼假体实体、髋臼定位导板进行模拟手术以验证实体间的匹配度，确保一体化髋臼假体与修整后的髋臼缺损实现结构间的压配稳定。
10.一种基于3D打印技术的一体化髋臼重建假体***，所述一体化髋臼重建假体***根据权利要求1～9任一项所述的3D打印一体化髋臼重建假体***的制备方法制备。
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