一种钛合金医用内固定板的塑形方法技术

本发明专利技术公开了一种钛合金医用内固定板的塑形方法，包括：步骤1，获取目标患者已有的骨组织三维虚拟模型；步骤2，在虚拟环境中模拟出与骨组织三维虚拟模型贴合的虚拟内固定板的弯折形状；步骤3，提取步骤2得到的虚拟内固定板弯折形状的空间特征信息，并利用得到的空间特征信息驱动弯曲机构的夹头对钛合金内固定板标准件实体进行实际弯曲，得到可用于目标患者的钛合金医用内固定板。本发明专利技术可以提高钛合金医用内固定板的弯折效率和贴合精度，而且可减少反复弯折，规避金属疲劳，同时可缩短术前准备时间，降低手术准备成本。

A molding method of titanium alloy medical internal fixation plate

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金医用内固定板的塑形方法
本专利技术涉及医疗器械
，尤其是指一种钛合金医用内固定板的塑形方法。
技术介绍
由于车祸、摔伤、磕碰等外伤因素，会造成人体骨组织的断裂、碎裂或部分缺失。骨组织病变(良恶性肿瘤等)会造成骨组织形态破坏或功能丧失，在疾病治疗过程中医务人员不得不对病变的骨组织进行切开或切除，这就造成了骨组织连续性的破坏。骨组织的不完整会影响人体的相应机能，比如颌骨的不完整不仅影响患者面部的美观，而且直接影响着患者的咀嚼、言语等功能，影响着患者的身心健康。针对骨组织的缺损或缺失，医疗过程中需要使用钛合金内固定器械对各骨段进行连接，而在更为前沿的手术中部分患者需要使用其他部位的骨组织来填补患者目标骨组织的缺失部位，修复过程围绕如何更好的恢复患者目标骨组织形态展开，而最终形态的一个重要维持装置就是个性化弯制的钛合金内固定器械。目前医疗过程中可以使用影像学技术获取患者个性化目标骨组织的形状；然后通过手术模拟，可以在手术前确定预期的手术后骨组织形态；通过3D打印等手段，可以将目标骨组织形态制作成等比例实物；然后通过数字化设计制造流程完成个性化手术导板的制造，导板可使医生按照预期切割裁剪骨段；术前或术中医生会通过手工工具弯制一个钛合金内固定器械，使之与患者最终目标骨组织贴合。医生在弯曲钛合金固定板前，并不知道最终与目标骨组织能够贴合的形状特征，且在弯曲过程中需要不断与目标骨组织实物、目标骨组织预期模型或软铝合金条进行对比，并对钛合金固定件不断进行弯曲微调，直至钛合金固定件的形状符合要求。目前虽3D打印钛合金产品已进入实验阶段，未来可能直接制造符合颌骨形态的内固定器械，但由于制造工艺改变，其成本较传统标准形态的钛合金内固定器械增高，且由于改变了制造方法，力学、生物学效益需要重新评价。故传统标准形态的钛合金内固定器械仍将较长期的应用在临床工作中。现有的钛合金医用内固定板弯曲方法，存在如下问题：1、手术前进行钛板弯制需要制作患者个体的目标骨组织打印模型实体，在医生进行钛合金内固定板弯曲前，没有合适的方法知道钛合金内固定板的弯曲形状，只能依靠操作者经验，因此耗时较长。术前高精度弯制平均耗时接近2小时；如果在术中快速弯制，则与目标骨组织的贴合精度极低。2、由于无法预知钛合金内固定板应弯曲的形状信息，在实际操作中，会对钛合金内固定板反复弯折调整，一旦金属疲劳发生断裂，钛合金板将作废，医用钛合金价格高昂，意外断裂产生材料浪费；3、目标骨组织扫描后需要进行3D模型打印，增加了准备时间，且3D打印成本较高。
技术实现思路
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的目的之一在于提供一种钛合金医用内固定板的塑形方法，使得到的钛合金医用内固定板与目标骨组织较高精度贴合。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种钛合金医用内固定板的塑形方法，包括以下步骤：步骤1，获取目标患者已有的骨组织三维虚拟模型；步骤2，在虚拟环境中模拟出与骨组织三维虚拟模型贴合的虚拟内固定板的弯折形状；步骤3，提取步骤2得到的虚拟内固定板弯折形状的空间特征信息，并利用得到的空间特征信息驱动弯曲机构的夹头对钛合金内固定板标准件实体进行实际弯曲，得到可用于目标患者的钛合金医用内固定板。进一步地，步骤2中模拟虚拟内固定板的弯折形状的方法为：步骤2.1，在骨组织三维虚拟模型上选择贴合初始点P1，将虚拟内固定板的第1个弯折圆片在贴合初始点P1附近与骨组织三维虚拟模型进行最佳虚拟贴合，得到第1个弯折圆片在最佳虚拟贴合时的位置，将该位置作为最佳弯折位置；其中，最佳虚拟贴合是指弯折圆片与骨组织三维虚拟模型之间至少存在1个接触点，且弯折圆片的最佳弯折位置包括该弯折圆片当前的圆心及姿态向量；步骤2.2，令i＝1；步骤2.3，在骨组织三维虚拟模型上指定点Pi+1作为虚拟内固定板第i+1个弯折圆片的拟弯折方向；步骤2.4，利用第i个弯折圆片的最佳弯折位置和骨组织三维虚拟模型上的指定点Pi+1，求解虚拟内固定板的第i+1个弯折圆片的最佳弯折位置；若第i+1个弯折圆片与骨组织三维虚拟模型之间没有接触点，则提示重新指定点Pi+1，并返回执行步骤2.3；步骤2.5，令i＝i+1，返回步骤2.3，直到求解得到虚拟内固定板上所有弯折圆片的最佳弯折位置。进一步地，步骤2.1中对第1个弯折圆片在贴合初始点P1附近与骨组织三维虚拟模型进行最佳虚拟贴合的方法为：步骤2.1.1，根据贴合初始点P1与骨组织三维虚拟模型的表面信息，确定与贴合初始点P1切平面垂直的法向量步骤2.1.2，在法向量的正方向上取一点Cinit，并设第1个弯折圆片的圆心位于点Cinit，且第1个弯折圆片的法向量步骤2.1.3，以点Cinit为起点，以向量为方向，以△h为步长，平移虚拟内固定板，计算新平移位置下的圆心C'1、法向量步骤2.1.4，判断骨组织三维虚拟模型是否至少有1个点与第1个弯折圆片接触：若没有，则赋值Cinit＝C'1、返回步骤2.1.3；若有，则令当前步骤得到的接触点为第一接触点T1′，此时执行步骤2.1.5；步骤2.1.5，以步骤2.1.4得到的其中1个第一接触点T1′为原点，定义矢量定义矢量且矢量满足与和均垂直；骨组织三维虚拟模型表面每个可碰撞点T0与第一接触点T1′形成直线，求解该直线与所在平面的夹角θ，其中最小夹角θmin所对应的点即为骨组织三维虚拟模型与第1个弯折圆片之间的第二接触点T1″；将弯折圆片绕第一接触点T1′旋转角度θmin，旋转的方向要求使T1″在第1个弯折圆片上的投影与其本身重合，并计算新旋转位置下的圆心C1″和姿态向量：步骤2.1.5中骨组织三维虚拟模型表面的可碰撞点T0是指，骨组织三维虚拟模型表面上其坐标位置与点C'1之间的距离满足以下条件的点：D0表示弯折圆片的弯折孔孔径，D1表示弯折圆片的外径；步骤2.1.6，若通过步骤2.1.5找到第二接触点T1″，则将当前位置下的C1″、作为第1个弯折圆片的空间特征信息；若通过步骤2.1.5未能找到第二接触点T1″，则将当前位置下的C'1、作为第1个弯折圆片的空间特征信息。进一步地，步骤2.4中求解虚拟内固定板的第i+1个弯折圆片的最佳弯折位置的方法为：步骤2.4.1，获取第i个弯折圆片的最佳弯折位置，即第i个弯折圆片的圆心Ci″及其姿态向量：分别作为第i个弯折圆片已知的圆心Ci及其姿态向量：步骤2.4.2，在第i个弯折圆片下表面所在平面Plane1上求解点P′i+1，使点P′i+1满足：且第i+1个弯折孔的圆心Ci+1位于直线Pi+1Ci在平面Plane1的投影直线上；定义矢量步骤2.4.3，骨组织三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片的可触碰点与圆心Ci形成直线，求解该直线与所在平面的夹角α，取最小夹角αmin所对应的可触碰点作为骨组织三维虚拟模型表面与第i+1个弯折圆片之间的第一接触点T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金医用内固定板的塑形方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，获取目标患者已有的骨组织三维虚拟模型；/n步骤2，在虚拟环境中模拟出与骨组织三维虚拟模型贴合的虚拟内固定板的弯折形状；/n步骤3，提取步骤2得到的虚拟内固定板弯折形状的空间特征信息，并利用得到的空间特征信息驱动弯曲机构的夹头对钛合金内固定板标准件实体进行实际弯曲，得到可用于目标患者的钛合金医用内固定板。/n

【技术特征摘要】
1.一种钛合金医用内固定板的塑形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取目标患者已有的骨组织三维虚拟模型；
步骤2，在虚拟环境中模拟出与骨组织三维虚拟模型贴合的虚拟内固定板的弯折形状；
步骤3，提取步骤2得到的虚拟内固定板弯折形状的空间特征信息，并利用得到的空间特征信息驱动弯曲机构的夹头对钛合金内固定板标准件实体进行实际弯曲，得到可用于目标患者的钛合金医用内固定板。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中模拟虚拟内固定板的弯折形状的方法为：
步骤2.1，在骨组织三维虚拟模型上选择贴合初始点P1，将虚拟内固定板的第1个弯折圆片在贴合初始点P1附近与骨组织三维虚拟模型进行最佳虚拟贴合，得到第1个弯折圆片在最佳虚拟贴合时的位置，将该位置作为最佳弯折位置；
其中，最佳虚拟贴合是指弯折圆片与骨组织三维虚拟模型之间至少存在1个接触点，且弯折圆片的最佳弯折位置包括该弯折圆片当前的圆心及姿态向量；
步骤2.2，令i＝1；
步骤2.3，在骨组织三维虚拟模型上指定点Pi+1作为虚拟内固定板第i+1个弯折圆片的拟弯折方向；
步骤2.4，利用第i个弯折圆片的最佳弯折位置和骨组织三维虚拟模型上的指定点Pi+1，求解虚拟内固定板的第i+1个弯折圆片的最佳弯折位置；
若第i+1个弯折圆片与骨组织三维虚拟模型之间没有接触点，则提示重新指定点Pi+1，并返回执行步骤2.3；
步骤2.5，令i＝i+1，返回步骤2.3，直到求解得到虚拟内固定板上所有弯折圆片的最佳弯折位置。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2.1中对第1个弯折圆片在贴合初始点P1附近与骨组织三维虚拟模型进行最佳虚拟贴合的方法为：
步骤2.1.1，根据贴合初始点P1与骨组织三维虚拟模型的表面信息，确定与贴合初始点P1切平面垂直的法向量
步骤2.1.2，在法向量的正方向上取一点Cinit，并设第1个弯折圆片的圆心位于点Cinit，且第1个弯折圆片的法向量
步骤2.1.3，以点Cinit为起点，以向量为方向，以△h为步长，平移虚拟内固定板，计算新平移位置下的圆心C'1、法向量
步骤2.1.4，判断骨组织三维虚拟模型是否至少有1个点与第1个弯折圆片接触：若没有，则赋值Cinit＝C'1、返回步骤2.1.3；若有，则令当前步骤得到的接触点为第一接触点T1′，此时执行步骤2.1.5；
步骤2.1.5，以步骤2.1.4得到的其中1个第一接触点T1′为原点，定义矢量定义矢量且矢量满足与和均垂直；骨组织三维虚拟模型表面每个可碰撞点T0与第一接触点T1′形成直线，求解该直线与所在平面的夹角θ，其中最小夹角θmin所对应的点即为骨组织三维虚拟模型与第1个弯折圆片之间的第二接触点T1″；将弯折圆片绕第一接触点T1′旋转角度θmin，旋转的方向要求使T1″在第1个弯折圆片上的投影与其本身重合，并计算新旋转位置下的圆心C1″和姿态向量：
步骤2.1.5中骨组织三维虚拟模型表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁烨，蒋灿华，张佳楫，左国坤，史斌君，
申请(专利权)人：中南大学湘雅医院，中国科学院宁波工业技术研究院慈溪生物医学工程研究所，
类型：发明
国别省市：湖南;43