CN115443112A - 用于整形外科植入物的定制的患者专用3d打印定位增强件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整形外科假体部件，其包括具有外壁(14)的制造的髋臼壳体部件(10)和联接到该外壁的增材制造的增强件(54,60)。该增强件包括外表面，该外表面限定成形为适形于患者的骨的正外形的定制的患者专用负外形。还公开了一种用于制造假体部件的方法。

Description

用于整形外科植入物的定制的患者专用3D打印定位增强件
技术领域
本公开整体涉及整形外科植入物，并且更具体地涉及定制的患者专用整形外科植入物。
背景技术
关节成形术是一种熟知的外科手术，通过关节成形术用假体关节置换患病和/或损坏的自然关节。例如，在髋关节成形术外科手术中，患者的自然髋关节球窝接合部由假体髋关节接合部部分地或完全地替换。典型的假体髋关节接合部包括髋臼假体部件和股骨头假体部件。髋臼假体构件通常包括外部壳体和内承载件或内衬里，该外部壳体被配置成接合患者的髋臼，该内承载件或内衬里联接到该壳体并且被配置成接合股骨头。股骨头假体部件和髋臼部件的内衬里形成接近自然髋关节的球窝接合部。
髋臼杯的准确定位是实现假体髋关节的功能和使用寿命的重要因素。错位的后果可包括不稳定性、磨损增加、肌肉功能受损、运动范围(ROM)减少、撞击、轴承相关噪声产生、功能结局差、肢体长度差异以及松动和杯故障。
为了有利于用假体置换自然关节，整形外科医生使用多种整形外科器械，诸如切割块、钻孔导向器、铣削导向器、对准导向器和其它外科器械。通常，整形外科器械相对于患者来说是可重复使用的并且是通用的，使得在类似的整形外科手术过程中对多个不同的患者可使用相同的整形外科器械。整形外科器械也可以是为具体患者定制的。此类“定制的患者专用整形外科器械”是供外科医生在执行整形外科手术时使用的一次性外科工具，该一次性外科工具被设计和构造成供特定患者使用。
发明内容
根据本公开的一个方面，一种用于制造整形外科假体的方法包括提供具有外壁的制造的髋臼壳体部件；以及增材制造联接到该制造的髋臼壳体部件的外壁的增强件，其中增强件包括外表面，该外表面限定成形为适形于患者的骨的正外形的定制的患者专用负外形。在一个实施方案中，增强件包括增材制造的金属部件。
在一个实施方案中，该方法还包括确定制造的髋臼壳体部件相对于患者的骨的正外形的位置的目标取向；以及基于该目标取向来确定该增强件在该制造的髋臼壳体部件的外壁上的位置。
在一个实施方案中，该方法还包括基于患者的骨的一个或多个医学图像来识别患者的骨的正外形。在一个实施方案中，识别正外形可包括基于患者的骨的一个或多个医学图像来生成患者的骨的三维模型。在一个实施方案中，该方法还包括捕获该患者的骨的一个或多个医学图像，其中识别正外形包括响应于捕获该一个或多个医学图像而识别该正外形。
在一个实施方案中，制造的髋臼壳体部件的外壁包括远侧边沿和从该远侧边沿延伸的外表面，并且其中增强件在与远侧边沿相邻的位置处从外表面向外延伸。
在一个实施方案中，患者的骨的正外形包括患者的骨几何形状的骨标志。在一个实施方案中，正外形包括横髋臼韧带标志。在一个实施方案中，患者的骨的正外形限定患者的骨几何形状中的空隙。
根据另一方面，整形外科假体部件包括具有外壁的制造的髋臼壳体部件；和增材制造的增强件，该增材制造的增强件联接到制造的髋臼壳体部件的外壁，其中增强件包括外表面，该外表面限定成形为适形于患者的骨的正外形的定制的患者专用负外形。
在一个实施方案中，制造的髋臼壳体部件包括限定部件轴线的远侧边沿；并且增强件位于该制造的髋臼壳体部件的外壁上的位置处，该位置固定部件轴线相对于患者的骨的正外形的位置的取向。
在一个实施方案中，增强件包括多孔外表面。在一个实施方案中，制造的髋臼壳体部件包括联接到外壁的多孔涂层，并且其中增强件联接到多孔涂层。
在一个实施方案中，制造的髋臼壳体部件的外壁包括远侧边沿和从该远侧边沿延伸的外表面，并且其中增强件在与远侧边沿相邻的位置处从外表面向外延伸。
在一个实施方案中，患者的骨的正外形包括患者的骨几何形状的骨标志。在一个实施方案中，正外形包括横髋臼韧带标志。在一个实施方案中，患者的骨的正外形限定患者的骨几何形状中的空隙。
在一个实施方案中，制造的髋臼壳体部件包括锻造的金属部件或机加工的金属部件。在一个实施方案中，增强件包括增材制造的金属部件。
附图说明
具体实施方式具体是指以下附图，其中：
图1是假体髋臼壳体部件的透视图；
图2是用于整形外科手术的术前计划工具的示意图；
图3是图1的包括定位增强件的假体髋臼壳体部件的透视图；并且
图4是图3的安装在患者髋关节中的髋臼壳体部件的透视图。
具体实施方式
虽然本公开的概念易于具有各种修改形式和替代形式，但其具体示例性实施方案已在附图中以举例的方式示出，并且将在本文中进行详细描述。然而应当理解，无意将本公开的概念限制为所公开的特定形式，而是相反，意图在于涵盖所附权利要求限定的本发明的实质和范围内的所有修改型式、等同型式和替代型式。
在整篇说明书中，当涉及整形外科植入物和本文所述外科手术器械以及患者的自然解剖结构时，可能会用到表示解剖学参考的术语，例如前、后、内侧、外侧、上、下等。这些术语在解剖学研究和矫形外科领域都具有公知的含义。除非另外说明，否则在书面具体实施方式和权利要求中使用的这些解剖参考术语旨在与其熟知的含义一致。
现在参考图1，例示性髋臼假体壳体部件10被成形为植入患者的骨盆的外科准备的髋臼中。壳体部件10通常由植入级金属材料(诸如钴铬或钛)形成。例如，在一些实施方案中，壳体部件10可以被锻造和/或机加工。壳体部件10可以是标准的、非患者专用的植入物或假体，其具有标准尺寸和形状(和/或选自一组标准植入物尺寸和/或形状)。
壳体部件10具有远侧边沿12和从远侧边沿12延伸的外壁14。外壁14包括凸形弯曲外表面16和从远侧边沿12延伸到弯曲外表面16的环形外表面18。在例示性实施方案中，凸形弯曲外表面16为半球形的并且被成形为匹配患者的外科准备的髋臼的形状。壳体部件10还包括允许骨在植入后生物学上附连到壳体部件10的
Figure BDA0003901808940000041
外涂层20。
Figure BDA0003901808940000042
外涂层20覆盖外表面16并且沿循该外表面的几何形状。应当理解，在其它实施方案中，可省略
Figure BDA0003901808940000043
外涂层20。
壳体部件10还包括内壁22，该内壁从远侧边沿12向内延伸以在壳体部件10中限定腔体24。例示性腔体24的尺寸被设定成接收壳体衬里部件(未示出)，该壳体衬里部件可由聚合物材料(诸如聚乙烯)、陶瓷材料、金属材料或其它材料形成。壳体部件10的内壁22包括定位成与环形外表面18相对的环形内表面26和与凸形弯曲外表面16相对的凹形弯曲内表面28。多个狭槽30从远侧边沿12的内壁22向外延伸。狭槽30围绕远侧边沿12的圆周间隔开并且被成形为接收壳体衬里部件和/或其它假体部件的相应键。远侧边沿12限定延伸穿过腔体24的轴线32。在一些实施方案中，可以通过弯曲表面16、28限定一个或多个狭槽或其它固定引导件。在使用中，可以通过固定引导件***螺钉、销钉或其它紧固件以将壳体部件固定到患者的骨。
如下文进一步描述的，壳体部件10可以与增材制造工艺一起使用，以将一个或多个患者专用增强件附接到外壁14以产生增强的壳体部件10'(参见图3)。增强的壳体部件10'可以在整形外科手术(如全髋关节成形术)期间植入患者的髋关节中。
现在参考图2，示出了用于整形外科手术的术前计划界面34。在外科手术之前，基于患者的骨盆的成像开发患者的骨盆的三维模型36。为了生成三维模型36，生成患者的相关骨解剖结构或关节的多个医学图像。为此，整形外科医生或其他医护人员可操作成像***以生成医学图像。医学图像可具体表现为能够用于生成患者的骨解剖结构或相关关节的三维渲染模型的任何数量和类型的医学图像。例如，医学图像可具体表现为多个X射线图像或其它二维图像，由这些图像可生成患者相关骨解剖结构的三维渲染模型。另外，在一些实施方案中，可用设计用于突出显示患者关节软骨表面的造影剂来增强医学图像。除此之外或另选地，医学图像可具体表现为任何数量的计算机断层扫描(CT)图像、磁共振成像(MRI)图像或其它三维医学图像。
在生成或以其它方式接收医学图像之后，基于医学图像生成患者的骨盆的三维模型36。具体地讲，计算设备或其它建模***可执行x射线分段过程，以基于输入的x射线图像对患者的骨进行建模。如图2所示，例示性三维模型36包括患者的髋臼38的外形和其它表面几何形状，包括骨标志，诸如横髋臼韧带(TAL)或其它骨特征。例如，例示性模型36包括髋臼38的边沿的外形40。模型36还包括髋臼38的内壁中的空隙的外形42。
如图所示，界面34还包括壳体部件10的表示，包括轴线32的表示。使用界面34，整形外科医生或其他用户可以确定壳体部件10(包括轴线32)相对于模型36的目标取向。这种相对于模型36的取向对应于壳体部件10相对于患者的骨几何形状的期望位置和取向。例如，如图2所示，外科医生或其他用户可以调整倾斜角44和扭转角46，以便相对于模型36对壳体部件10的轴线32进行取向。在其它实施方案中，外科医生或其他用户可以调整限定壳体部件10的取向的任何其它角度。在一些实施方案中，可以自动确定壳体部件10的取向，例如以实现预定倾斜角44和/或预定扭转角46(例如，介于40度-45度之间的倾斜和介于15度-20度之间的前倾)。在一些实施方案中，界面34可包括控件47，其允许外科医生或其他用户查看和/或调整角度44、46。
在确定壳体部件10的目标取向之后，外科医生或其他操作者将一个或多个个性化几何特征48定位在壳体部件10上。附加地或另选地，个性化几何特征48可以相对于壳体部件10自动生成和/或定位。如下文进一步描述的，个性化几何特征48各自包括一个或多个负外形，该一个或多个负外形匹配并接收在模型36中捕获的患者的骨几何形状的对应正外形。因为每个个性化几何特征48匹配模型36的特定标志或其它正外形，所以个性化几何特征48相对于模型36的位置和取向是固定的。因此，当壳体部件10相对于模型36处于特定方向时，个性化几何特征48中的每一者的位置和取向也相对于壳体部件10是固定的。
例如，在例示性实施方案中，个性化几何特征50与髋臼边缘的外形40匹配。因此，特征50包括作为正外形40的负形的一个或多个外形。几何特征50定位在远侧边沿12附近，位于壳体部件10的凸形外表面16的一部分上，当壳体部件10以目标取向定位时，其暴露在髋臼38上方。在另一示例中，个性化几何特征52与空隙外形42匹配。类似地，特征52包括作为正外形42的负形的一个或多个外形。几何特征52定位在凸形外表面16上的在壳体部件10定位在目标取向上与髋臼38的壁中的空隙对准时的位置。
在确定负外形、位置和个性化几何特征48中的每一者的取向之后，个性化几何特征48与增材制造工艺一起使用以生成患者专用增强的壳体部件10'。增材制造工艺以如上所述的常规制造的壳体部件10开始。壳体部件10可以是被锻造、机加工或以其它方式常规制造的金属部件。在增材制造工艺期间，一个或多个患者专用增强件54附接到壳体部件10的外壁14，从而产生增强的壳体部件10'。
现在参考图3，示出了增材制造工艺之后的壳体部件10'。使用一种或多种形式的增材制造技术，例如选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、3D打印或其它增材制造技术由沉积在壳体部件10的外壁14上的金属材料形成增强件54中的每一者。增强件54还包括多孔涂层20或者在一些实施方案中可以是完全多孔的。
每个增强件54包括外表面，该外表面具有与在如上所述的术前计划期间确定的患者的骨几何形状的正外形匹配的负外形。例如，每个增强件54可以使用一个或多个三维模型或描述在上述术前计划过程期间确定的个性化几何特征48的其它数据来生成。
例示性壳体部件10'包括定位在外表面16上与远侧边沿12相邻的增强件56以及定位在凸形外表面16上的增强件60。增强件56是包括外表面58的离轴步骤，并且例示性地具有上述个性化几何特征50的形状。因此，外表面58限定了与患者的髋臼边沿的正外形40匹配的负外形，如上文结合术前计划程序所述。
类似地，增强件60是具有上述个性化几何特征52的形状的空隙填充物。因此，增强件60包括外表面62，该外表面限定了与患者的髋臼中的空隙的正外形42匹配的负外形，如上文结合术前计划程序所述。
因此，包括增强件54的例示性壳体部件10'被配置成以独特的预定位置和取向接合患者的髋臼38。当然，在其它实施方案中，壳体部件10'可以包括不同数量和/或布置的增强件54。在每个实施方案中，每个增强件54包括与在术前计划期间确定的患者的骨几何形状的正外形匹配的患者专用负外形。
在完成增材制造工艺之后，壳体部件10'因此为定制的患者专用整形外科植入物。本文所用术语“定制的患者专用整形外科植入物”是外科医生在进行整形外科手术时使用的外科植入物或假体，其被设计和构造成供特定患者使用。因此，应当理解，如本文所用，术语“定制的患者专用整形外科植入物”不同于标准的、非患者专用的整形外科植入物，后者不是为任何特定患者制造或定制的。
现在参考图4，在使用期间，整形外科医生将包括增强件54的壳体部件10'***患者的骨盆64中。首先，外科医生外科准备患者的骨以接收壳体部件10'。为此，外科医生可利用外科扩孔钻来准备患者的髋臼66以接收壳体部件10'。
接下来，外科医生使用增强件54作为壳体部件10'的定位引导件将壳体部件10'***患者的外科制备的髋臼66中。当***时，壳体部件10'的3D打印增强件54的负外形匹配并接收患者的骨解剖结构的对应正外形。例如，在例示性实施方案中，离轴步骤56的外表面58与对应于模型36的外形40的髋臼边缘外形68匹配。类似地，空隙填充物60的外表面62与对应于模型36的外形42的空隙外形70匹配。如上所述，例如使用术前界面34在术前计划期间确定那些外形。
如图4所示，当壳体部件10'***外科制备的髋臼66中使得增强件54与患者的骨解剖结构的对应外形匹配时，壳体部件10'相对于患者的骨盆64以特定预定取向定位。壳体部件10'的取向与使用术前计划界面34确定的目标取向匹配。具体地，如轴线32所示，壳体部件10'以目标倾斜角44和目标扭转角46取向。
在将壳体部件10'定位在外科制备的髋臼66中之后，壳体部件10'被撞击、粘合或以其它方式固定在预定的位置和取向中。因此，包括如本文所述的增强件54的壳体部件10'可以允许在不使用附加的对准引导件、壳体试验或其它外科器械的情况下以预定取向(例如，倾斜和扭转)***壳体部件。因此，具有增强件54的壳体部件10'可以降低成本、减少操作时间并增加用于***壳体部件10'的定位准确度。此外，通过将增强件54 3D打印到常规制造的壳体部件10上，与完全3D打印的部件相比，壳体部件10'可以降低成本和/或改善强度。
虽然在附图和前述描述中已经详细地举例说明和描述了本公开，但此类举例说明和描述在特征上应被视为是例示性的而不是限制性的，应当理解，仅示出和描述了例示性的实施方案，并且本公开的实质内进行的所有改变和变型都应受到保护。
本文所述的装置和组件的各种特征使本公开具有多个优点。应当注意的是，本公开的装置和组件的可供选择的实施方案可不包括所述的所有特征，但仍然可受益于这些特征的至少某些优点。本领域的普通技术人员可易于设计出其特有的装置和组件的实施方式，该实施方式整合本发明的特征中的一种或多种，并且落在由权利要求限定的本公开的实质和范围内。

Claims (20)

1. 一种用于制造整形外科假体的方法，所述方法包括：
提供具有外壁的制造的髋臼壳体部件；以及
增材制造联接到所述制造的髋臼壳体部件的所述外壁的增强件，其中所述增强件包括外表面，所述外表面限定成形为适形于患者的骨的正外形的定制的患者专用负外形。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括：
确定所述制造的髋臼壳体部件相对于所述患者的骨的所述正外形的位置的目标取向；以及
基于所述目标取向来确定所述增强件在所述制造的髋臼壳体部件的所述外壁上的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述患者的骨的一个或多个医学图像来识别所述患者的骨的所述正外形。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，识别所述正外形包括基于所述患者的骨的所述一个或多个医学图像来生成所述患者的骨的三维模型。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括捕获所述患者的骨的所述一个或多个医学图像，其中识别所述正外形包括响应于捕获所述一个或多个医学图像而识别所述正外形。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制造的髋臼壳体部件的所述外壁包括远侧边沿和从所述远侧边沿延伸的外表面，并且其中所述增强件在与所述远侧边沿相邻的位置处从所述外表面向外延伸。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述患者的骨的所述正外形包括所述患者的骨几何形状的骨标志。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述正外形包括横髋臼韧带标志。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述患者的骨的所述正外形限定所述患者的骨几何形状中的空隙。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述增强件包括增材制造的金属部件。
11. 一种整形外科假体部件，包括：
具有外壁的制造的髋臼壳体部件；和
增材制造的增强件，所述增材制造的增强件联接到所述制造的髋臼壳体部件的所述外壁，其中所述增强件包括外表面，所述外表面限定成形为适形于患者的骨的正外形的定制的患者专用负外形。
12. 根据权利要求11所述的整形外科假体部件，其中：
所述制造的髋臼壳体部件包括限定部件轴线的远侧边沿；并且
所述增强件位于所述制造的髋臼壳体部件的所述外壁上的位置处，所述位置固定所述部件轴线相对于所述患者的骨的所述正外形的位置的取向。
13.根据权利要求11所述的整形外科假体部件，其中，所述增强件包括多孔外表面。
14.根据权利要求13所述的整形外科假体部件，其中，所述制造的髋臼壳体部件包括联接到所述外壁的多孔涂层，并且其中所述增强件联接到所述多孔涂层。
15.根据权利要求11所述的整形外科假体部件，其中，所述制造的髋臼壳体部件的所述外壁包括远侧边沿和从所述远侧边沿延伸的外表面，并且其中所述增强件在与所述远侧边沿相邻的位置处从所述外表面向外延伸。
16.根据权利要求11所述的整形外科假体部件，其中，所述患者的骨的所述正外形包括所述患者的骨几何形状的骨标志。
17.根据权利要求16所述的整形外科假体部件，其中，所述正外形包括横髋臼韧带标志。
18.根据权利要求11所述的整形外科假体部件，其中，所述患者的骨的所述正外形限定所述患者的骨几何形状中的空隙。
19.根据权利要求11所述的整形外科假体部件，其中，所述制造的髋臼壳体部件包括锻造的金属部件或机加工的金属部件。
20.根据权利要求11所述的整形外科假体部件，其中，所述增强件包括增材制造的金属部件。
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