基于3D打印的外固定支架及其制造方法技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于3D打印的外固定支架及其制造方法。
背景技术
骨组织缺损是临床上比较常见的一种疾病，可由创伤、肿瘤、骨疾以及骨生长异常等原因造成。在治疗骨组织缺损后通常需要对受损的骨组织进行固定，以促进损伤部位愈合。目前，病患在脚踝与小腿骨损伤恢复过程中大多采用夹板和石膏来保护受损伤的部位。夹板虽然可以限制关节的运动，防止受伤部位进一步损伤或通过防止与损伤有关的运动而允许关节痊愈，但其需要利用带子以缠绕的方式将夹板固定至病人的身体上，操作繁琐，与受损伤部位不能完全贴合，且透气性差，在进行拆卸的时候还会存在造成损伤部位二次骨折或移位的可能。
石膏通常由灰浆或纤维玻璃制成，围绕受伤部位以保持骨折部位稳定进而促进骨损伤部位愈合。虽然石膏可以对受损伤的部位进行固定，但由于石膏不透气、不吸汗，长时间佩戴会造成皮肤溃烂；且石膏还存在制作繁琐、较笨重，也不能沾水的问题。
因此，确有必要提供一种基于3D打印的外固定支架及其制造方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D打印的外固定支架及其制造方法，通过本发明方法获得的外固定支架结构简单、穿戴拆卸方便、并可防止损伤部位发生二次骨折或移位。
为实现上述目的，本发明的基于3D打印的外固定支架的制造方法包括如下步骤：采用扫描设备对待扫描部位进行扫描获得含待扫描部位的原始数据，所述待扫描部位为患者骨损伤部位；根据含待扫描部位的原始数据获得感兴趣区域的数据信息，所述感兴趣区域为患者骨损伤部位的表面皮肤；根据感兴趣区域的数据信息重构获得感兴趣区域的三维模型；根据感兴趣区域的三维模型设计生成外固定支架模型；通过快速成型技术将外固定支架模型进行实体打印获得基于3D打印的外固定支架。
进一步地，所述根据感兴趣区域的三维模型设计生成外固定支架模型的过程包括如下步骤：对感兴趣区域的三维模型进行表面优化处理获得处理后的三维模型；对处理后的三维模型进行表面增厚处理获得增厚的三维模型；对增厚的三维模型进行分割获得两个分割模型；选取两分割模型的表面作为曲面分别进行增厚处理获得第一片体模型雏形与第二片体模型雏形；在第一片体模型雏形与第二片体模型雏形上设计相互配合的限位结构以获得第一片体模型与第二片体模型；分别在第一片体模型与第二片体模型上设计多个镂空区域以获得外固定支架模型。
进一步地，所述表面优化处理为拉普拉斯光顺或曲率光顺或HC拉普拉斯光顺或Taubin光顺或Windowssinc光顺。
进一步地，所述第一片体模型的厚度与第二片体模型的厚度一致，所述第一片体模型与第二片体模型均是通过选取分割模型的表面作为曲面并使该曲面与对应的分割模型的表面间隔一定距离后增厚处理获得的。
进一步地，所述第一片体模型与第二片体模型上设计的镂空区域是分别根据第一片体模型雏形、第二片体模型雏形的表面积大小来设计的。
进一步地，所述基于3D打印的外固定支架是通过3D打印技术对外固定支架模型进行实体打印获得的。
进一步地，所述外固定支架模型包括第一片体模型与第二片体模型，所述限位结构包括设于第一片体模型上的插接部模型以及设于第二片体模型上的凸台模型。
进一步地，所述获得基于3D打印的外固定支架的过程包括如下步骤：分别通过3D打印技术将第一片体模型、第二片体模型进行实体打印以获得第一片体与第二片体；通过束缚带将第一片体与第二片体固定在一起以构成基于3D打印的外固定支架。
进一步地，所述感兴趣区域的数据信息为STL格式的数据。
进一步地，所述扫描设备为CT扫描设备，所述含待扫描部位的原始数据为DICOM格式的数据，所述感兴趣区域的三维模型是根据感兴趣区域的数据信息逆向重构获得的。
进一步地，所述根据含待扫描部位的原始数据获得感兴趣区域的数据信息包括如下步骤：根据含待扫描部位的原始数据重建获得含待扫描部位的CT图像；从含待扫描部位的CT图像中提取感兴趣区域的CT图像；根据感兴趣区域的CT图像获得感兴趣区域的数据信息。
进一步地，所述扫描设备为3D扫描仪，所述含待扫描部位的原始数据为STL格式的数据，所述感兴趣区域的三维模型是根据感兴趣区域的数据信息正向重构获得的。
本发明还提供一种依照上述方法制造的基于3D打印的外固定支架。
进一步地，所述基于3D打印的外固定支架包括第一片体、与第一片体配合的第二片体以及将第一片体与第二片体固定在一起的束缚带。
进一步地，所述第一片体的相对两侧延伸设有多个插接部，所述第二片体上设有与第一片体的插接部相对应的凸台，所述凸台具有供第一片体的插接部穿过的插接槽。
进一步地，所述第一片体上还设有多个呈不规则状分布的通孔，所述第二片体上还设有多个呈不规则状分布的穿孔。
进一步地，所述基于3D打印的外固定支架还具有由第一片体与第二片体围设形成的收容空间。
进一步地，所述基于3D打印的外固定支架呈两端开口的管状设置，所述第一片体与第二片体均呈弧片状设置。
进一步地，所述束缚带包括带体以及与带体一端固定连接的扣环，所述扣环上设有一开口。
进一步地，所述带体上设有粘贴部以及位于粘贴部旁侧的魔术贴，所述魔术贴与扣环分别设于带体的相对两端。
进一步地，所述外固定支架通过所述束缚带的带体的魔术贴依次穿过第二片体的插接槽、扣环的开口后与粘贴部贴合以将第一片体与第二片体固定在一起。
本发明的基于3D打印的外固定支架是根据患者骨损伤部位的表面皮肤设计生成并通过3D打印技术制成的，可以与患者骨损伤部位实现良好的贴合，并且该外固定支架的第一片体与第二片体通过设于第一片体上的插接部与设于第二片体上的插接槽的配合以实现第一片体与第二片体之间的定位，且在上下、左右方向两个维度上限制第一片体与第二片体之间的相对运动，同时通过束缚带缠绕于第一片体与第二片体的外表面以将第一片体与第二片体固定在一起，以在前后方向上限制第一片体与第二片体之间的相对运动，从而使外固定支架实现对患者骨损伤部位的固定。另外，本发明的第一片体与第二片体通过束缚带的魔术贴与粘贴部的粘贴以将第一片体与第二片体固定在一起，在拆卸第一片体与第二片体时仅需拆开束缚带将第一片体自第二片体上取下即可完成拆卸，装拆均方便，可防止外固定支架在拆卸过程中对骨损伤部位造成二次骨折或移位。
附图说明
图1为本发明基于3D打印的外固定支架的制造方法流程示意图。
图2为图1中根据含待扫描部位的原始数据获得感兴趣区域的数据信息的流程示意图。
图3为图1中根据感兴趣区域的三维模型设计生成外固定支架模型的流程示意图。
图4为图1中根据外固定支架模型获得基于3D打印的外固定支架的流程示意图。
图5为依照本发明的方法获得的基于3D打印的脚踝用外固定支架立体组合图。
图6为图5所示基于3D打印外固定支架的另一视角立体组合图。
图7为图5所示基于3D打印外固定支架的立体分解图。
图8为图5所示基于3D打印外固定支架的第一片体与第二片体的立体分解图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例作详细的说明。
图1为本发明基于3D打印的外固定支架的制造方法的流程示意图。该制造方法包括如下步骤：
S11、采用扫描设备对待扫描部位进行扫描获得含待扫描部位的原始数据，所述待扫描部位为患者骨损伤部位；
S12、根据含待扫描部位的原始数据获得感兴趣区域的数据信息，所述感兴趣区域为患者骨损伤部位的表面皮肤；
S13、根据感兴趣区域的数据信息重构获得感兴趣区域的三维模型，所述感兴趣区域的三维模型为待扫描部位的表面皮肤三维模型；
S14、根据感兴趣区域的三维模型设计生成外固定支架模型；
S15、通过快速成型技术将外固定支架模型进行实体打印获得基于3D打印的外固定支架。
其中，步骤S11中的扫描设备为CT扫描设备或3D扫描仪。
当扫描设备为CT扫描设备时，所述含待扫描部位的原始数据为DICOM格式数据。所述感兴趣区域的三维模型是根据感兴趣区域的数据信息逆向重构获得的。请结合图2所示，步骤S12中所述根据含待扫描部位的原始数据获得感兴趣区域的数据信息的具体过程包括如下步骤：
S21、根据含待扫描部位的原始数据重建获得含待扫描部位的CT图像；
S22、从含待扫描部位的CT图像提取感兴趣区域的CT图像；
S23、根据感兴趣区域的CT图像获得感兴趣区域的数据信息。
步骤S23中的CT图像为DICOM格式的数据，所述感兴趣区域的数据信息为STL格式的数据。所述感兴趣区域的数据信息是将感兴趣区域的CT图像进行转换获得的。
当扫描设备为3D扫描仪时，所述含待扫描部位的原始数据为STL格式数据。步骤S13中所述感兴趣区域的三维模型是根据感兴趣区域的数据信息正向重构获得的。
请结合图3所示，步骤S14中，所述根据感兴趣区域的三维模型设计生成外固定支架模型的过程包括如下步骤：
S31、对感兴趣区域的三维模型进行表面优化处理获得处理后的三维模型；
S32、对处理后的三维模型进行表面增厚处理获得增厚的三维模型；
S33、对增厚的三维模型进行对称分割获得两个分割模型；
S34、选取两分割模型的表面为曲面分别进行增厚处理获得第一片体模型雏形与第二片体模型雏形；
S35、在第一片体模型雏形与第二片体模型雏形上设计相互配合的限位结构以获得第一片体模型与第二片体模型；
S36、根据第一片体模型、第二片体模型的表面积大小分别在第一片体模型、第二片体模型上设计多个镂空区域以获得外固定支架模型。
其中，步骤S31中所述的表面优化处理为拉普拉斯光顺或曲率光顺或HC拉普拉斯光顺或Taubin光顺或Windowsinc光顺。
步骤S34中获得的第一片体模型的厚度与获得的第二片体模型的厚度一致。所述第一片体模型是通过选取两分割模型其中之一的表面为曲面并使该曲面与该模型的表面间隔一定距离后增厚处理获得的。所述第二片体模型是通过选取两分割模型中的另一个的表面为曲面并使该曲面与该模型的表面间隔一定距离后增厚处理获得的。所述增厚获得第一片体模型的曲面与其分割模型表面之间的间距等于所述增厚获得第二片体模型的曲面与其分割模型表面之间的间距。
步骤S35中，所述限位结构包括设于第一片体模型上的插接部模型以及设于第二片体模型上并供设于第一片体模型上的插接部模型穿过的凸台模型。所述凸台模型呈中空状设置，其具有供第一片体模型的插接部模型穿过的插接槽模型。
步骤14中所述的外固定支架模型包括第一片体模型与第二片体模型。步骤S15中所述的基于3D打印的外固定支架是通过3D打印技术对外固定支架模型进行实体打印获得的。具体地，请参图4所示，所述获得基于3D打印的外固定支架的过程包括如下步骤：
S41、分别通过3D打印技术将第一片体模型、第二片体模型进行实体打印以获得第一片体与第二片体；
S42、通过束缚带将第一片体与第二片体固定在一起以构成基于3D打印的外固定支架。
步骤S42中所述的外固定支架包括通过3D打印机技术将第一片体模型进行实体打印获得的第一片体、通过3D打印技术将第二片体模型进行实体打印获得的第二片体以及将第一片体与第二片体绑在一起的束缚带。所述第一片体上设有插接部。所述第二片体上设有凸台。所述凸台具有供第一片体的插接部穿过的插接槽。所述第一片体上还设有多个呈不规则状分布的通孔，所述第二片体上设有多个呈不规则状分布的穿孔。所述第一片体的通孔与第二片体的穿孔构成外固定支架的镂空区域，用于透气。所述插接部设于第一片体的相对两侧，所述凸台设于第二片体与第一片体的插接部相应的部位处。本发明中所述的快速成型技术还可以为熔融沉积技术，也可以为激光烧结技术。以本发明方法获得的外固定支架呈两端开口的管状设置。
本发明的外固定支架是根据患者骨损伤部位数据重构后通过快速成型技术实体打印制成的，可以与患者骨损伤部位实现完全贴合，结构简单，制造方便。并且依照本发明方法获得的外固定支架的第一片体与第二片体为分体式设计，且通过第一片体的插接部与第二片体的插接槽的配合以将第一片体插设于第二片体上，并通过束缚带将第一片体与第二片体绑设在一起，装拆方便，可防止在将外固定支架自患者骨损伤部位取下时造成骨损伤部位二次骨折或移位。另外，依照本发明方法获得的外固定支架具有设于第一片体与第二片体上的镂空区域，可透气，避免因患者损伤部位发生皮肤溃乱。
请参图5至图8所示为根据本发明方法获得一种基于3D打印的脚踝用外固定支架100，组设于患者下肢上用于固定患者脚踝(未图示)。该外固定支架100大致呈两端开口的弯管状设置，其包括第一片体1、与第一片体1相互配合的第二片体2以及将第一片体1与第二片体2固定在一起的束缚带3。所述第一片体1与第二片体2均是通过图1至图4所述方法制成的。所述外固定支架100还包括由第一片体1与第二片体2围设形成的收容空间4，用于收容患者脚踝(未图示)。所述第一片体1与第二片体2大致呈对称状设置，两者通过分别设于其上的限位结构(未标号)组设在一起。
所述第一片体1是通过快速成型技术一体成型的。本实施例中所述第一片体1可以是采用PLA材料通过熔融沉积方式制成的，也可以采用尼龙材料通过激光烧结(SLS)方式制成的。所述第一片体1的相对两侧分别延伸设有多个插接部11。所述插接部11大致呈片状设置。所述第一片体1上还设有多个透气用的通孔12。所述通孔12呈不规则状设于第一片体1上。所述第一片体1大致呈“L”型的弧片状设置，其包括包覆患者脚背的第一端13以及与第一端13连接并包覆患者小腿前半部的第二端14。所述第一端13大致呈水平片状设置，所述第二端14大致呈竖直片状设置。所述第一端13与第二端14大致呈垂直状设置。本实施例中插接部11为两对。所述两对插接部11中的一对设于第一片体1的第一端部13的靠近前端的两侧部位处，另一对设于第一片体1的第二端部14靠近顶端的两侧部位处。所述插接部11具有弧形的末端110。本实施例中，所述设于第一片体1的第一端部13相对两侧的插接部11的尺寸大小与设于第一片体1的第二端部14相对两侧的插接部11的尺寸大小一致。
所述第二片体2也是通过快速成型技术一体制成的。本实施例中的第二片体2可以是采用PLA材料通过熔融沉积(FDM)方式一体制成的，也可以是采用尼龙通过激光烧结(SLS)方式一体制成的。所述第二片体2的相对两侧分别设有与第一片体1的插接部11配合的凸台21。所述凸台21是由第二片体2的外表面凸伸设置的。所述凸台21呈“凵”型设置，其上沿第二片体2的弧面所在方向贯穿设有插接槽22，用于收容第一片体1的插接部11。所述插接槽22可供第一片体1的插接部11的末端110穿过。所述插接槽22是由凸台21与第二片体2设置凸台21的相应部位围设形成的，大致呈矩形状设置。所述凸台21呈中空状设置。
所述第二片体2上还设有多个呈不规则状设置的穿孔23，作透气用。所述凸台21大致呈矩形扣环状设于第二片体2的相对两侧的外表面上。所述凸台21设于第二片体2与第一片体1的插接部11相应的部位处。所述第二片体2的穿孔23与第一片体1的通孔12构成外固定支架100的镂空结构(未标号)，可透气，以避免患者脚踝穿戴传统外固定支架因不透气导致皮肤溃烂。所述第二片体2呈中空状设置的凸台21与第二片体1呈弧片状设置的插接部11构成外固定支架100的限位结构(未标号)，可限制第一片体1与第二片体2两者在上下、左右方向上的相对运动。
所述第二片体2大致呈“L”型弧片状设置，其包括包覆患者脚掌的第一端24以及与第一端24连接并包覆患者小腿后半部的第二端25。所述第一端24大致呈水平状设置，所述第二端25大致呈竖直状设置。所述第一端24与第二端25大致呈垂直状设置。所述第一端24与第二端25的连接处围设形成有收容患者脚后跟的容纳空间26。本实施例中凸台21为两对，其中一对分别设于第一端24的相对两侧，另一对分别设于第二端25的相对两侧。本实施例中，设于第一端24相对两侧的凸台21的长度大于设于第二端25相对两侧的凸台21的长度。所述形成于第一端24相对两侧的插接槽22的长度大于形成于第二端25相对两侧插接槽22的长度。
所述设于第二片体2的第一端24相对两侧的凸台21分别与设于第一片体1的第一端13相对两侧的插接部11配合。所述设于第二片体2的第二端25相对两侧的凸台21分别与设于第一片体1的第二端14相对两侧的插接部11配合。所述设于第一片体1的第一端13相对两侧的插接部11分别收容于由设于第二片体2的第一端24相对两侧的凸台21与第一端24相应部位围设形成的插接槽22中。所述设于第一片体1的第二端14相对两侧的插接部11分别收容于由设于第二片体2的第二端25相对两侧的凸台21与第二端25相应部位围设形成的插接槽22中。所述第一片体1位于其第二端14相对两侧的插接部11的宽度大致等于所述第二片体2位于其第二端25相对两侧的插接槽22的宽度。所述第一片体1位于其第一端13相对两侧的插接部11的宽度小于所述第二片体2位于其第一端24相对两侧的插接槽22的宽度，以使插接部11与插接槽22之间留有空隙，方便将第一片体1自第二片体2上拆卸下来。
所述束缚带3包括带体30以及与带体30固定连接的扣环31。所述扣环31大致呈矩形框体状设置，其中部设有供带体30穿过的开口310。所述带体30大致呈条状设置，其一端固定组设于扣环31的纵长向一侧，其另一端可拆卸地组设于扣环31的纵长向另一侧。所述带体30的宽度大致与第一片体1的插接部11的宽度相同。所述带体30上设有粘贴部300以及位于粘贴部300旁侧的魔术贴301。所述魔术贴301可与粘贴部300粘合。所述魔术贴301与粘贴部300均设于带体30的同一表面上。所述魔术贴301与扣环31分别设于带体30的相对两端。所述束缚带3的魔术贴301可在第一片体1组设于第二片体2上后通过带体30设置魔术贴301的一端依次穿过第二片体2的插接槽22与扣环31的开口310后与粘贴部300粘合，以将第一片体1与第二片体2固定在一起，从而限制第一片体1与第二片体2在前后方向上的相对运动。所述束缚带3呈环状设于第一片体1与第二片体2的外表面上。
所述收容空间4包括由第一片体1的第一端13与第二片体2的第一端24围设形成的第一收容部40以及由第一片体1的第二端14与第二片体2的第二端25围设形成的第二收容部41。所述第一收容部40用于收容患者的脚，所述第二收容部41用于收容患者的小腿。所述第一收容部40与第二收容部41连通设置。
本发明的基于3D打印的脚踝用外固定支架100通过设于第一片1相对两侧的插接部11与设于第二片体2相对两侧的插接槽22的配合以将第一片体1与第二片体2组设在一起，限制第一片体1与第二片体2在竖直方向与左右方向上的相对运动，并通过束缚带3缠绕在第一片体1与第二片体2的外表面以将第一片体1与第二片体2固定在一起，从而限制第一片体1与第二片体3在前后方向上的相对运动，组装拆卸方便，可防止在将外固定支架100自患者下肢上取下时发生二次骨折或移位。并且，脚踝用外固定支架100通过设于第一片体1上的通孔12与设于第二片体2上的穿孔23进行透气，防止患者皮肤因未与外界接触而发生溃烂。另外，本发明的脚踝用外固定支架100的第一片体1与第二片体2均是通过3D打印技术一体制成的，制造方便。
本发明的基于3D打印的外固定支架100还可以作如下变更：第一片体1位于其第一端13相对两侧的插接部11的宽度小于位于其第二端14相对两侧的插接部11的宽度，第二片体2位于其第一端24相对两侧的插接槽22的长度大致等于位于其第二端25相对两侧的插接槽22的长度。第二片体2相对两侧的凸台21的长度均相同。第一片体1位于其第二端14相对两侧的插接部11的宽度大致等于第二片体2位于其第二端25相对两侧的插接槽22的宽度。
本实施例中的外固定支架100是用于固定脚踝的，但也可以为根据本发明方法制造获得的腿部用外固定支架或其他任何骨损伤部位的外固定支架。外固定支架的形状是根据患者骨损伤部位来确定的，可根据需要固定的具体部位来设计外固定支架的形状。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，不应以此限制本发明的范围，即凡是依本发明的权利要求书及本发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，均应仍属本发明专利涵盖的范围内。