一种新型骨伤夹板及其个性化内衬的设计制造方法

1.本发明涉及骨伤夹板技术领域，尤其涉及一种新型骨伤夹板及其个性化内衬的设计制造方法。


背景技术：

2.患者骨折后需要使用医疗夹板对骨折处进行固定，维持骨折断端之间的稳定，限制骨折上、下关节内的肌肉的收缩，避免肌肉收缩而导致的骨折移位。目前常用的骨伤夹板以石膏和中医小夹板为主。
3.石膏使用无水硫酸钙的细粉撒布在特制的稀孔纱布绷带制成，经水浸泡结晶后缠绕在肢体上，凝固成坚固的硬壳从而对骨折部肢体进行固定。中医小夹板固定使用弹性杉木板或塑料板，板内侧放置压垫和分骨垫，绑于骨折部肢体的外侧以固定骨折，防止骨折端再发生成角、旋转和侧方移位。
4.石膏固定方式厚重、无弹性、透气性及影像学检查透光性差，定型后无法调节松紧度，不适合早期功能锻炼，长期佩戴易引起关节僵硬、皮肤压疮等并发症。标准化的骨伤夹板(如中医小夹板)虽然能够快速批量化制造，但是标准化夹板并未考虑患者的个体性差异，夹板通常无法很好地贴合患肢，导致固定效能不足，容易松动。并且小夹板材料粗糙，固定用的压垫、分骨垫长期佩戴与患肢皮肤摩擦易引起压疮等并发症。
5.授权公告号为cn110215329b的中国发明专利公开了一种个性化轻质医疗夹板及其设计方法：通过三维扫描构建患肢的模型，确定所述夹板的设计域，对所述夹板与所述患肢进行生物力学分析，构建生物力学模型，采用创成式设计方法设计多孔轻质夹板，采用增加材料的方式制造夹板。
6.该个性化的骨伤夹板仅仅关注夹板外壳的设计及制造，而且制造夹板外壳的时间很长(通常需要2至4天)。现有3d打印定制化支具中，必须要采集患处三维形状信息，但患者普遍存在前期肿胀，所制作出的定制支具和夹板往往与后期动态肿胀与消肿过程存在差异，继而支具内压迫和空腔出现，无法通过外壳的调整来快速适应，如果此时为适应变化重新更换外壳，存在经济成本和时间成本过高的问题。同时目前拓扑优化后的夹板和支具因大量的镂空，外壳由较细的条片状材料构成，患者皮肤直接与硬质夹板外壳接触，经过临床测试，若佩戴过久，肿胀的手易受压迫导致不适，疼痛，甚至压疮。
7.因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型骨伤夹板及其个性化内衬的设计制造方法，可以提出一种能够精准贴合患肢、固定效能好、佩戴透气舒适、可调节松紧程度并且能够快速制造的个性化的新型骨伤夹板方案。


技术实现要素：

8.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何解决现有技术中，石膏结构笨重、定型后无法调整松紧程度、长期佩戴易引起并发症等问题；中医小夹板难以完全贴合患肢，固定效能差，3d打印支具存在无法动态调整问题。
9.为实现上述目的，本发明提供了一种新型骨伤夹板及其个性化内衬的设计制造方法，所述方法包括以下步骤：
10.步骤1、根据不同人群患肢的尺寸、形状，通过三维扫描技术、使用主成分分析算法，设计不同款式、规格的标准化夹板外壳；
11.步骤2、使用3d打印技术加工制作各种款式、规格的标准化夹板外壳；
12.步骤3、通过三维扫描生成患肢点云模型并建模患肢曲面，在不同款式、规格的标准化夹板外壳中选择最接近患肢尺寸的标准化夹板外壳；
13.步骤4、使用点云配准算法对标准化夹板外壳的内表面点云和患肢的外表面点云进行点云配准；
14.步骤5、以配准后的夹板外壳模型和患肢模型之间的空隙为依据，使用相对曲面展开算法将配准的两曲面进行相对展开，即标准化夹板外壳的内表面展开为平面，患肢的外表面相对于标准化夹板外壳的内表面进行展开；
15.步骤6、基于两相对展开曲面，使用计算机辅助设计软件生成个性化夹板内衬模具，完成精准匹配标准化夹板外壳和患肢的个性化夹板内衬设计；
16.步骤7、使用3d打印技术制作夹板内衬模具，模具翻模后即得到精准匹配夹板外壳和患肢的个性化夹板内衬；
17.步骤8、将标准化夹板外壳和个性化夹板内衬进行装配固连，完成新型骨伤夹板及其个性化夹板内衬的制作。
18.进一步地，所述步骤1具体包括以下步骤：
19.步骤1.1、选取若干组不同性别、年龄、体态的临床病例样本，通过三维扫描提取得到患肢模型并建立患肢模型数据库；
20.步骤1.2、使用主成分分析算法对患肢模型数据库中的患肢模型数据分类平均后得到不同的患肢表面标准模型，并根据不同的患肢表面标准模型设计不同款式、规格的标准化夹板外壳模型；
21.步骤1.3、使用创成式优化算法对标准化夹板外壳模型进行轻量化改进。
22.进一步地，所述步骤1.1还包括以下步骤：
23.使用薄膜压力传感器采集夹板固定下患肢骨折机体的力学分布特点，建立生物力学模型实验数据库。
24.进一步地，所述步骤1.3具体包括以下步骤：
25.根据生物力学模型实验数据库中的力学数据，使用拓扑优化算法对标准化夹板外壳模型进行轻量化设计，生成符合最优传力路径的多孔轻质结构夹板模型。
26.进一步地，所述步骤1还包括：
27.步骤1.4、在标准化夹板外壳的至少一处设计并配置无极调节松紧模块。
28.进一步地，所述标准化夹板外壳包括由两个可上下分开的夹板外壳本体，所述无极调节松紧模块设置在所述夹板外壳本体上，便于穿戴并调整松紧。
29.进一步地，所述无极调节松紧模块包括魔术贴固定环和魔术贴，所述魔术贴固定环固定连接在所述夹板外壳本体上，所述魔术贴穿过所述魔术贴固定环并环绕所述夹板外壳本体设置。
30.进一步地，所述步骤4中的所述点云配准算法使用最近点迭代算法。
31.进一步地，所述最近点迭代算法求解标准化夹板外壳曲面点云和患肢曲面点云的最优变换，使得两曲面点云的重合程度尽可能高，即最小化代价函数j*，便于后续的曲面相对展开，具体公式为：
[0032][0033][0034]
其中，xi表示患肢的外表面点云；yj表示标准化夹板外壳的内表面点云；r表示最优旋转矩阵；t表示最优平移矩阵；ei(r,t)表示相对于xi的每点距离；y
j*
表示相对于 xi的最优匹配点，即相对于xi距离最小；给定初始变换r和t，所述最近点迭代算法在式(1)中计算最优变换，在式(2)中找到最近点匹配之间交替迭代求解最小化代价函数。
[0035]
进一步地，所述步骤5中所述相对曲面展开算法通过取点近似计算标准化夹板外壳曲面与患肢曲面相对应的各点距离，将标准化夹板外壳曲面对应各点的距离转化为相对于标准化夹板外壳展开曲面的患肢展开曲面，即通过投影点拟合得到样条曲线，再通过样条曲线拟合得到相对展开曲面，具体公式如下：
[0036][0037]
s(y)＝d(τ([y1,y2,...,yn]))
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0038]
其中，xi表示患肢的外表面点云；表示患肢的外表面相对于标准化夹板外壳的内表面的投影函数；c表示样条曲线的拟合函数；yi表示根据投影点拟合所得的样条曲线；τ表示标准化夹板外壳内表面的展开函数；d表示多截面曲面的拟合函数；s表示根据样条曲线拟合所得的相对于标准化夹板外壳内表面展开的患肢曲面。
[0039]
本发明区别于目前其他的传统骨伤夹板仅设计夹板外壳并在患肢处缠绕绷带的治疗方式，将标准化夹板外壳和个性化夹板内衬进行融合，兼顾制造时间的同时通过个性化、精准化的治疗方式提升了固定效能和治疗效果，减轻了患者在治疗过程中佩戴的不适，具有轻便透气、贴合患肢、促进愈合等优点。
[0040]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0041]
图1是本发明的一个较佳实施例的新型骨伤夹板及其个性化内衬的设计制造流程图；
[0042]
图2是本发明的一个较佳实施例的标准化骨伤夹板外壳结构示意图；
[0043]
图3是本发明的一个较佳实施例的标准化夹板外壳的内表面点云和患肢的外表面点云的点云配准算法示意图；
[0044]
图4是本发明的一个较佳实施例的患肢的外表面相对于标准化夹板外壳的内表面的相对曲面展开算法示意图；
[0045]
图5是本发明的一个较佳实施例的由相对展开的曲面生成的个性化骨伤夹板内衬模具结构示意图；
[0046]
图6是本发明的一个较佳实施例的由夹板内衬模具翻模制作的个性化骨伤夹板内衬结构示意图。
[0047]
其中，1-夹板外壳本体，2-魔术贴固定环，3-魔术贴，4-夹板内衬。
具体实施方式
[0048]
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0049]
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
[0050]
本发明提出的新型骨伤夹板包括两大部件，分别是标准化夹板外壳和个性化夹板内衬。标准化夹板外壳能够较好地匹配贴合患肢，并能够实现快速批量化制造；个性化夹板内衬能够实现与患肢精准贴合匹配，提升患者佩戴体验，从而加快骨折恢复、缩短治疗周期。
[0051]
图1为本发明的一个较佳实施例的新型骨伤夹板及其个性化内衬的设计制造方法流程图。以人体手臂为例，详细设计方案如下：
[0052]
一、标准化夹板外壳的设计及制造
[0053]
为了准确构建适应不同人群手臂的尺寸、形状的夹板外壳，选取100组不同性别、年龄、体态的临床病例样本，使用3d扫描仪快速提取得到患者的手臂模型并建立手臂模型数据库，使用薄膜压力传感器采集夹板固定下患肢骨折机体的力学分布特点，建立生物力学模型实验数据库；使用主成分分析(principal components analysis,pca) 算法对手臂模型数据库中的手臂模型数据分类并平均处理后得到三款患肢表面标准模型，根据三款患肢表面标准模型设计a、b、c三款标准夹板外壳，每款夹板外壳分为 l、m、s三个尺码，制定夹板外壳规格表(如表1)，应用临床上能够适配各类患者手型。使用创成式优化算法对标准化夹板外壳模型进行轻量化改进：根据生物力学模型实验数据库中的力学数据，使用拓扑优化算法对三款标准化夹板外壳模型进行轻量化设计，生成符合最优传力路径的多孔轻质结构夹板模型，生成拓扑孔的同时显著降低夹板重量，从而提升患者的佩戴透气度和舒适度；在夹板手掌、手腕、手臂处设计并配置无极调节松紧模块，患者能够根据患肢肿胀程度自行调节夹板佩戴松紧程度，获得最佳的佩戴体验和治疗效果。
[0054]
设计完成后即可使用3d打印技术快速、批量化加工制作标准化夹板外壳，如图2 所示。
[0055]
表1标准化骨伤夹板外壳规格表
[0056][0057]
二、个性化夹板内衬的设计及制造
[0058]
为精准匹配贴合患肢，提升固定效能并提升佩戴舒适度，使用3d扫描仪扫描患者手臂快速生成患肢点云模型并建模患肢曲面，在三款标准化夹板外壳中选择最接近患肢尺寸的标准化夹板外壳，使用点云配准算法对标准化夹板外壳的内表面点云和患肢的外表面点云进行点云配准，使患肢模型点云和该标准化夹板外壳模型点云尽可能重合(如图3)；以配准后的夹板外壳模型和患肢模型之间的空隙为依据，使用相对曲面展开算法将配准的两曲面进行相对展开，即标准化夹板外壳的内表面展开为平面，患肢的外表面相对于标准化夹板外壳的内表面进行展开(如图4)；基于两相对展开曲面，使用计算机辅助设计(computer aided design,cad)软件快速生成精准化、个性化夹板内衬模具模型，完成精准匹配夹板外壳和患肢的个性化内衬设计。
[0059]
设计完成后使用3d打印技术快速制作内衬模具(如图5)，模具翻模后即得到精准匹配夹板外壳和患肢的个性化硅胶夹板内衬(如图6)。
[0060]
图2为标准化骨伤夹板外壳示意图，夹板外壳本体1分为上下两部分，便于穿戴并调整松紧；魔术贴固定环2和魔术贴3组成无极调节松紧模块，患者能够根据患肢肿胀程度自行调节魔术贴3从而调节夹板佩戴松紧程度，获得最佳的佩戴体验和治疗效果。
[0061]
图3为标准化夹板外壳的内表面点云和患肢的外表面点云的点云配准算法。算法使用最近点迭代(iterative closest point,icp)算法，求解标准化夹板外壳曲面点云和患肢曲面点云的最优变换(如式(1)、(2))，使得两曲面点云的重合程度尽可能高，即最小化代价函数，便于后续的曲面相对展开。
[0062][0063][0064]
其中，xi表示患肢的外表面点云；yj表示标准化夹板外壳的内表面点云；r表示最优
旋转矩阵；t表示最优平移矩阵；ei(r,t)表示相对于xi的每点距离；y
j*
表示相对于 xi的最优匹配点，即相对于xi距离最小。给定初始变换r和t，icp算法在式(1)中计算最优变换，在式(2)中找到最近点匹配之间交替迭代求解最小化代价函数。
[0065]
图4为患肢的外表面相对于标准化夹板外壳的内表面的相对曲面展开算法。算法通过取点近似计算夹板曲面与患肢曲面相对应的各点距离，将标准化夹板外壳曲面对应各点的距离转化为相对于标准化夹板外壳展开曲面的患肢展开曲面，即通过投影点拟合得到样条曲线(如式(3))，再通过样条曲线拟合得到相对展开曲面(如式(4))。算法将标准化夹板外壳的内表面展开为平面，患肢的外表面相对于标准化夹板外壳的内表面进行展开，通过相对展开的患肢曲面和展开的夹板外壳曲面即可快速生成个性化内衬模具(如图5)。
[0066][0067]
s(y)＝d(τ([y1,y2,...,yn]))
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0068]
其中，xi表示患肢的外表面点云；表示患肢的外表面相对于标准化夹板外壳的内表面的投影函数；c表示样条曲线的拟合函数；yi表示根据投影点拟合所得的样条曲线；τ表示标准化夹板外壳内表面的展开函数；d表示多截面曲面的拟合函数；s表示根据样条曲线拟合所得的相对于标准化夹板外壳内表面展开的患肢曲面。
[0069]
图6为由夹板内衬模具翻模制作的个性化骨伤夹板内衬示意图。使用3d打印技术快速制作夹板内衬模具(如图5)，模具制作完成后将液体硅胶倒入模具并进行加热，加热完成后翻模即可得到精准匹配夹板外壳和患肢的个性化夹板内衬4。
[0070]
最后，通过胶接方式对标准化夹板外壳和个性化夹板内衬4进行装配固连，完成新型骨伤夹板及其个性化内衬的制作。
[0071]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。