用于生产定制的矫形植入物的方法技术

一种用于生产定制的矫形植入物的方法。所述方法包含：扫描将从其切除骨骼的病变区域的骨骼以获得骨骼的未经切除体积的三维数字图像；在骨骼的病变区域已经被切除之后扫描所述骨骼以获得相应的骨骼的切除后体积的三维数字图像；以及将所述骨骼的未经切除体积的三维数字图像与相应的所述骨骼的切除后体积的三维数字图像进行比较以估计已经被切除的骨骼的体积；利用对已经被切除的骨骼体积的估计来设计基本上对应于骨骼的切除体积的构造的定制的矫形植入物，所述植入物被构造为基本上恢复所述骨骼的生物力学功能。最后制造并提供所述定制的矫形植入物用于插入到所述骨骼的切除区域中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于设计和制造定制的矫形植入物的方法。更具体地，该方法涉及设计和生产用于插入到骨骼的切除区域的患者特异性的矫形植入物。
技术介绍
骨肉瘤是一类源自于骨骼的癌症，主要影响儿童或青壮年。在20世纪70年代之前，截肢是唯一可用的治疗方法。截肢导致患者在生活质量方面的不良后果，因此目前的趋势集中于在切除全部肿瘤的同时试图挽救受影响的肢体，以减少局部复发的风险，从而使存活的前景最大化。一旦肿瘤被切除，通常需要进一步手术来重建肢体。挽救肢体的努力往往涉及插入矫形植入物以重建骨骼或用假体替换天然关节。常规的矫形植入物一般具有实体结构，其旨在结构上稳固矫形植入物所附接到的切除肿瘤后的骨骼。为了稳固小肿瘤切除术后的骨骼，可以使用多个螺钉将实体金属板类型的植入物固定到骨组织上。这些植入物有标准形状和尺寸可供使用，但在手术期间外科医生通常使用反复试验来调整植入物轮廓以与骨胳对准。对于位于关节附近的肿瘤，使用全关节置换假体。这些植入物在设计上是坚固的以提高疲劳寿命，且相应地需要从受影响的区域以及未受影响的区域显著地去除骨组织以容纳假体。在骨骼还没有成熟的年轻患者的情况下，可延伸的假体可能需要重复到生物力学实验室进行加长才可以使用。一旦骨骼发育成熟，可延伸假体用永久性关节置换假体来替换，导致对于患者的进一步的手术和康复。对于上年纪的患者，由于身体活动的减少以及其他诸如骨质疏松症等与年龄有关的并发症，假体失效的可能性更大。此外，对于这样的假体的安置策略往往集中于标准矫形植入物的构造以及现有骨骼需要如何成形以符合植入物，而不是着眼于骨骼的解剖学功能和需要什么来维持肢体的最佳生物力学功能。在现有骨骼和矫形植入物之间的刚度的差异可以导致骨的再吸收和矫形植入物的后续松动。尽管在一些情况下，常规的矫形植入物的确提供了令人满意的结果，该结果允许患者返回到积极的生活方式，但在其他情况下，使用常规的矫形植入物已经导致延长康复、疼痛、不适的时间、以及缺乏灵活性。因此，需要发展定制的矫形植入物，所述矫形植入物针对受影响区域的负荷条件而被优化，并且负担得起的且可以迅速地生产。因此，期望能够设计和制造为患者定制的并专用于病变的骨架元件的矫形植入物。具体地，期望能够实现矫形植入物的自动设计，该矫形植入物提供对骨骼的固有生物力学功能和提高骨向内生长速率提供适当的折中。最后，期望对设计和制造定制的矫形植入物的整个过程进行优化以使矫形植入物的设计、制造和安置能够在手术的时间限制内进行。
技术实现思路
根据本专利技术的方案，提供了一种用于生产定制的矫形植入物的方法，所述方法包括如下步骤：(a)扫描将从其切除骨骼的病变区域的骨骼，以获得骨骼的未经切除体积的三维数字图像；(b)在骨骼的病变区域已经被切除之后扫描所述骨骼，以获得相应的骨骼的切除后体积的三维数字图像；(c)将所述骨骼的未经切除体积的三维数字图像与相应的所述骨骼的切除后体积的三维数字图像进行比较，以估计已经被切除的骨骼的体积；(d)利用对已经被切除的所述骨骼的体积的所述估计来设计基本上对应于所述骨骼的切除后体积的构造的定制的矫形植入物，该植入物被构造为基本上恢复所述骨骼的生物力学功能；(e)制造所述定制的矫形植入物；以及(f)提供定制的矫形植入物用于插入到所述骨骼的切除区域中。所述定制的矫形植入物的以基本上恢复所述骨骼的所述生物力学功能的设计包含考虑在对应于已经被切除的所述骨骼的骨类型上的一个或多个典型的负荷条件。例如，这可能会涉及考虑所讨论的骨类型的解剖功能和在各种典型活动中预期的骨负荷。所述定制的矫形植入物的设计优选地包含考虑对应于切除的骨骼的骨类型所承受的典型的最大应力和挠度(deflection)。即，可以考虑到患者的体格，对在诸如走、跑、跳的典型的活动中由所述骨类型承受的负荷以及外部冲击进行建模。在具体的实施例中，所述定制的矫形植入物包括栅格型几何结构。栅格型几何结构的密度被配置为增强骨内生长并被优化以抵消在骨骼-植入物界面所产生的应力。栅格型几何结构是优选的，因为它提供了良好的强度重量比、减少了应力遮挡，并且可以使用增材技术来制造。在更具体的实施例中，栅格型几何结构包括周期性布置。这种布置提供了更加可预测的机械特性和性能，且因此，提供了对现场定制的矫形植入物的最终性能的更好的控制。即，改变骨骼/植入物界面处的栅格结构的孔隙率可以用于增强骨向内生长或增加植入物的刚度。优选地使用增材制造技术来制造定制的矫形植入物。增材制造技术可包含选择性激光熔化技术。在本专利技术的一种形式中，扫描骨骼以获得三维数字图像包含：获得多个二维数字图像，并由其构建三维数字图像。每个三维数字图像可以包括立体光刻文件(STL)。扫描骨骼以获得一个或多个三维数字图像可包含对诸如计算机断层扫描(CT)扫描仪和磁共振成像(MRI)的医学成像的使用。替代地，扫描所述骨骼以获得一个或多个数字图像可包含使用激光扫描仪。优选地，所述三维数字图像被用于生成定制的矫形栅格植入物的三维计算机模型。所述三维计算机模型随后被传送到三维打印机。在一个具体的实施例中，骨骼的病变区域受到骨肉瘤影响。在本专利技术的优选形式中，用于生产定制的矫形植入物的方法的步骤在所述患者处于麻醉状态下的时间段内连续地发生。根据本专利技术的另一个方案，提供了一种定制的矫形植入物，通过包括以下步骤的方法来形成该植入物：扫描将从其切除骨骼的病变区域的骨骼，以获得骨骼的未经切除体积的三维数字图像；在骨骼的病变区域已经被切除之后扫描所述骨骼，以获得相应的骨骼的切除后体积的三维数字图像；将所述骨骼的未经切除体积的三维数字图像与相应的所述骨骼的切除后体积的三维数字图像进行比较，以估计已经被切除的骨骼的体积；利用对已经被切除的所述骨骼的体积的所述估计来设计基本上对应于所述骨骼的切除体积的构造的定制的矫形植入物，该植入物被构造为基本上恢复所述骨骼的生物力学功能；以及制造所述定制的矫形植入物。附图说明现在将参照附图对本专利技术进行进一步地详细描述。应当理解，附图的特殊性并不取代的本专利技术的前面描述的一般性。图1是示出根据实施例的用于生产定制的矫形植入物的方法的流程图。图2A至图2C示出更详细的流程图，所述流程图显示了用于生产定制的矫形植入物的方法；图3A是示出要被移除的组织的量的病变骨骼的示意图；图3B示出病变骨骼和正常骨骼之间的3D比较以协助手术计划；图3C示出了图3A的病变骨骼，其中移除了骨肉瘤组织；图4A和图4B示出了两个不同的STL文件比较的结果来估计从不同骨类型的病变骨骼中移除的组织的量；图5A至图5C示出定制的矫形植入物的逐步呈现以替换从在图4B和5A所示的病变骨骼中移除的组织的量；图6A和图6B是示出对步行期间由切除的股骨所承受的负荷和应力的确定的示意图；图7A示出针对负荷条件优化、但不能使用增材制造技术来制造的栅格结构的示例；图7B示出针对负荷条件优化、并进一步优化为使用增材制造工艺进行制造的栅格结构；图8A和图8B示出了使用STL文件的直接导入所产生的周期性栅格结构的示例；图9A至图9D是可以在适合的周期性栅格结构中使用的示例性的栅格结构的单元格；图10A和10B示出功能性梯度结构应用于栅格几何结构；图11A至图11C示出一系列示意图，所述示意图显示了被插入以替换切除的组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产定制的矫形植入物的方法，所述方法包括以下步骤：a.扫描将从其切除骨骼的病变区域的骨骼以获得骨骼的未经切除体积的三维数字图像；b.在骨骼的病变区域已经被切除之后扫描所述骨骼以获得相应的骨骼的切除后体积的三维数字图像；c.将所述骨骼的未经切除体积的三维数字图像与所述相应的骨骼的切除后体积的三维数字图像进行比较以估计已经被切除的骨骼的体积；d.利用对已经被切除的所述骨骼的体积的所述估计来设计基本上对应于所述骨骼的切除体积的构造的定制的矫形植入物，所述矫形植入物被构造为基本上恢复所述骨骼的生物力学功能；e.制造所述定制的矫形植入物；以及f.提供所述定制的矫形植入物用于插入到所述骨骼的切除区域中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.04 AU 20149007181.一种用于生产定制的矫形植入物的方法，所述方法包括以下步骤：a.扫描将从其切除骨骼的病变区域的骨骼以获得骨骼的未经切除体积的三维数字图像；b.在骨骼的病变区域已经被切除之后扫描所述骨骼以获得相应的骨骼的切除后体积的三维数字图像；c.将所述骨骼的未经切除体积的三维数字图像与所述相应的骨骼的切除后体积的三维数字图像进行比较以估计已经被切除的骨骼的体积；d.利用对已经被切除的所述骨骼的体积的所述估计来设计基本上对应于所述骨骼的切除体积的构造的定制的矫形植入物，所述矫形植入物被构造为基本上恢复所述骨骼的生物力学功能；e.制造所述定制的矫形植入物；以及f.提供所述定制的矫形植入物用于插入到所述骨骼的切除区域中。2.根据权利要求1所述的用于生产定制的矫形植入物的方法，其中，所述定制的矫形植入物以基本上恢复所述骨骼的所述生物力学功能的设计包含考虑在对应于已经被切除的所述骨骼的骨类型上的一个或多个典型的负荷条件。3.根据权利要求2所述的用于生产定制的矫形植入物的方法，其中，所述定制的矫形植入物的设计包含考虑对应于切除的骨骼的所述骨类型所承受的典型的最大应力和挠度。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于生产定制的矫形植入物的方法，其中，所述定制的矫形植入物包括栅格型几何结构。5.根据权利要求4所述的用于生产定制的矫形植入物的方法，其中，所述栅格型几何结构包括周期性布置。6.根据权利要求4或5所述的用于生产定制的矫形植入物的方法，其中，所述栅格结构的孔隙率在骨骼/植入物界面处变化，以增强骨向内生长。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的用于生产定制的矫形植入物的方法，其中，所述定制的矫形植入物使用增材技术来制造。8.根据权利要求7所述的用于生...

【专利技术属性】
技术研发人员：达尔攀·希德伊德，马丁·利里，米兰·布兰特，彼得·松，
申请(专利权)人：皇家墨尔本理工大学，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU