專利名稱：一種基于三維建模的骨科手術(shù)導(dǎo)航模板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 外科手術(shù)裝置，具體涉及人體骨科手術(shù)的導(dǎo)引器。
背景技術(shù)：
目前植入物在骨科手術(shù)中應(yīng)用越來(lái)越多，一般說(shuō)來(lái)，在骨科植入物手術(shù)中螺釘?shù)?準(zhǔn)確置入對(duì)于手術(shù)安全最為重要，如脊柱創(chuàng)傷復(fù)位、畸形矯正等手術(shù)中，一般都會(huì)采用椎弓 根螺釘內(nèi)固定手術(shù)，但由于椎弓根內(nèi)側(cè)即為走行脊髓等重要結(jié)構(gòu)的椎管，一旦椎弓根螺釘 植入椎管內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致脊髓損傷并引起癱瘓、大小便失禁等并發(fā)癥，而且從腰椎向上，胸椎、 頸椎的椎弓根橫截面直徑越來(lái)越小，加大了手術(shù)難度及風(fēng)險(xiǎn)。因此，人們開(kāi)始尋找可以準(zhǔn)確定位的導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)展計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)，保證手 術(shù)準(zhǔn)確安全地開(kāi)展。目前使用的導(dǎo)航系統(tǒng)普遍具有如下工作原理醫(yī)生手持經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的 手術(shù)工具，一般來(lái)說(shuō)手術(shù)工具上裝有標(biāo)記點(diǎn)，對(duì)患者的手術(shù)目標(biāo)實(shí)施操作，手術(shù)工具的空間 立體定位及瞄準(zhǔn)過(guò)程均在跟蹤器的實(shí)時(shí)控制之下，而且跟蹤器能夠精確地給出術(shù)中解剖部 位與術(shù)前或術(shù)中X線/CT/MRI等多模圖像之間的位置關(guān)系，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，如平移、 旋轉(zhuǎn)等，控制手術(shù)工具達(dá)到要求的部位，從而實(shí)施相應(yīng)的手術(shù)操作。但目前臨床應(yīng)用中計(jì)算 機(jī)導(dǎo)航技術(shù)同樣也存在著一些缺點(diǎn)，如設(shè)備價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)，以及模板 精確度不高，與人體細(xì)胞具有排異性等，限制了此技術(shù)在臨床的廣泛應(yīng)用。國(guó)知局2009年3月25日公開(kāi)的《一種可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板制作方法》 (公開(kāi)號(hào)CN 101390773A)的發(fā)明專利，該發(fā)明專利將逆向工程與快速成型制造相結(jié)合，術(shù) 前對(duì)患者進(jìn)行CT掃描，采集患者手術(shù)區(qū)域的數(shù)字圖像。利用三維重建軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù) 進(jìn)行分析，導(dǎo)出待手術(shù)椎骨的三維重建模型。應(yīng)用逆向工作軟件，根據(jù)椎骨的三維重建模 型設(shè)計(jì)椎弓根的最佳進(jìn)釘釘?shù)?，并提取椎板后部的表面信息，在系統(tǒng)中建立與椎板后部的 解剖形態(tài)一致的反向模型，最后利用激光快速成型技術(shù)制作帶有椎弓根釘?shù)赖姆聪驅(qū)Ш侥?板。此發(fā)明專利在手術(shù)前就已經(jīng)將導(dǎo)航模板制作完成，不需要在術(shù)中應(yīng)用其它設(shè)備進(jìn)行椎 弓根的定位，大大減少了手術(shù)的時(shí)間，減少了患者痛苦。但是，由于人體各部位的骨骼形狀千差萬(wàn)別，且不同患者同一部位的骨骼形狀也 不相同，因此，按上述專利申請(qǐng)所述方案進(jìn)行手術(shù)時(shí)，都必須要制備反向?qū)Ш侥Ｐ?，無(wú)疑既 要延長(zhǎng)手術(shù)前的準(zhǔn)備時(shí)間，又要增加制備反向?qū)Ш侥Ｐ偷尼t(yī)療費(fèi)用。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在上述不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種通用的骨科 手術(shù)導(dǎo)航模板。本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案如下所述。一種基于三維建模的骨科手術(shù)導(dǎo)航模板，其特征在于一上夾板與一下夾板貼合在一起，二者之間設(shè)有縱向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，中部相對(duì) 設(shè)有圓孔，所述的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是常見(jiàn)的燕尾槽導(dǎo)向結(jié)構(gòu)；
一球頭導(dǎo)管，其縱向設(shè)有穿設(shè)克氏針的導(dǎo)向孔，一頭向外擴(kuò)張成形成一球頭；該球頭設(shè)在夾板和下夾板中部相對(duì)設(shè)置的圓孔內(nèi)；兩半哈夫塊對(duì)合卡在球頭導(dǎo)管上所設(shè)球頭的上下兩側(cè)，每一半哈夫塊的中部相對(duì) 設(shè)有與球頭導(dǎo)管上所設(shè)球頭相匹配球缺形孔，分別由螺釘分別固定在上夾板和一下夾板 上；上夾板和下夾板上相對(duì)密集分布有若干個(gè)垂直的小孔，每一小孔內(nèi)分別根穿設(shè)一 根與之動(dòng)配合的骨面探針；所述的上夾板和下夾板中有一塊夾板的一頭向外延伸后再向另一塊夾板的端頭 延伸形成一 L形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在與所述另一塊夾板端頭相對(duì)的部位設(shè)有一螺孔，孔內(nèi)穿設(shè) 有螺栓，該螺栓的體部在位于所述L形結(jié)構(gòu)的外側(cè)設(shè)有一鎖緊螺母，頭部正對(duì)所述另一塊 夾板的端頭。本發(fā)明所述的導(dǎo)航模板，其中所述的骨面探針為圓截面的細(xì)棒，此舉可大大改善 骨面探針本身和上下夾板穿設(shè)小孔的工藝性。本發(fā)明所述的導(dǎo)航模板，其中所述的骨面探針的兩頭均為球面，其目的一是為了 便于穿設(shè)，二是為了使其端點(diǎn)與凹凸不平的骨面接觸，進(jìn)一步提高導(dǎo)航效果。本發(fā)明所述的導(dǎo)航模板可用于骨科內(nèi)固定手術(shù)的導(dǎo)航，其基本原理是，以下夾板 的下表面為基準(zhǔn)，通過(guò)垂直(垂直于下夾板)移動(dòng)骨面探針和繞球頭導(dǎo)管的球頭中心轉(zhuǎn)動(dòng) 球頭導(dǎo)管獲得克氏針的最佳進(jìn)針角度時(shí)的骨面的模擬曲面；在手術(shù)時(shí)，利用所述模擬曲面 與骨平面相吻合的準(zhǔn)確定位作用和球頭導(dǎo)管的導(dǎo)向作用，進(jìn)而獲得克氏針的最佳進(jìn)針位點(diǎn) 和角度。本發(fā)明所述的導(dǎo)航模板可根據(jù)人體各部位的空間和骨骼的大小，設(shè)計(jì)成一個(gè)系列 用于骨科內(nèi)固定手術(shù)的各種骨骼的導(dǎo)航模板，加之，所述的球頭導(dǎo)管可轉(zhuǎn)動(dòng)，所述的骨面探 針能伸縮，因此具有很好的通用性，既可節(jié)約社會(huì)資源，又可降低患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。


圖1 3為本發(fā)明的一個(gè)較好實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖1為主視圖，圖2為俯 視圖，圖3為左視圖(圖1中A-A剖視)。圖4為圖1中局部I的放大圖。圖5為圖3中局部II的放大圖。圖6為圖1 3所示實(shí)施例中半哈夫塊9的固定結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為在實(shí)物模型上建模的狀態(tài)示意8為在計(jì)算機(jī)三維模型上建模的狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便公眾進(jìn)一步理解本發(fā)明的 有益效果。圖1 3，為本發(fā)明的一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，為了使圖面清晰，圖1和圖2只 顯示了一根骨面探針。參見(jiàn)圖1 3并結(jié)合圖4、圖5和圖6，上夾板1與一下夾板2上下貼合在一起，二者之間設(shè)有縱向運(yùn)動(dòng)的燕尾槽導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，中部相對(duì)設(shè)有圓孔3;其中，所述的燕尾槽導(dǎo)向結(jié) 構(gòu)為兩對(duì)稱設(shè)在上夾板1和一下夾板2的兩邊，每一燕尾槽導(dǎo)向結(jié)構(gòu)由下夾板2上表面燕 尾導(dǎo)軌4和上夾板1下表面的燕尾槽5組成(見(jiàn)圖5)。球頭導(dǎo)管6縱向設(shè)有穿設(shè)克氏針的 導(dǎo)向孔7，下頭向外擴(kuò)張成形成一球頭8，該球頭8設(shè)在上夾板1和下夾板1中部相對(duì)設(shè)置 的圓孔3內(nèi)。兩半哈夫塊9對(duì)合卡在球頭導(dǎo)管上所設(shè)球頭8的上下兩側(cè)，每一半哈夫塊9 的中部相對(duì)設(shè)有與球頭導(dǎo)管6上所設(shè)球頭6相匹配球缺形孔，分別由螺釘10分別固定在上 夾板1和下夾板2上(見(jiàn)圖6)。上夾板1和下夾板2相對(duì)密集分布有若干個(gè)垂直的圓形小 孔11，每一圓形小孔11內(nèi)分別穿設(shè)一根與之動(dòng)配合的骨面探針12，每一根骨面探針12為 一圓截面的細(xì)棒，兩頭均為圓頭。下夾板2中左頭向外延伸后再向上夾板1的端頭延伸形 成一 L形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在與上夾板1端頭相對(duì)的部位設(shè)有一螺孔，孔內(nèi)穿設(shè)一螺栓13，該螺 栓13的體部在位于所述L形結(jié)構(gòu)的外側(cè)設(shè)有一鎖緊螺母14，頭部正對(duì)上夾板1的端頭。
參見(jiàn)圖1 8，本發(fā)明所述的導(dǎo)航模板用于骨科內(nèi)固定手術(shù)的導(dǎo)航方法如下所述方法1 本方法是一種使用本發(fā)明所述的導(dǎo)航模板在實(shí)物模型上建模的方案，具體步驟如 下(1)采集需要進(jìn)行內(nèi)固定手術(shù)的骨骼的CT圖像，導(dǎo)入Mimics軟件中進(jìn)行三維重 建，獲得骨骼的計(jì)算機(jī)三維模型；(2)采用常規(guī)的逆向工程(如公開(kāi)號(hào)為CN 101390773A的發(fā)明專利申請(qǐng)所公開(kāi)的 方法)將步驟(1)獲得的計(jì)算機(jī)三維模型制成實(shí)物模型17 ；(3)在實(shí)物模型17上沿預(yù)定的骨固定螺釘路徑打入克氏針15 ；(4)松開(kāi)固定半哈夫塊9的固定螺釘10和所述的L形結(jié)構(gòu)上的螺栓13及鎖緊螺 母14，將導(dǎo)航模板15上的球頭導(dǎo)管6套到克氏針16上，目視下夾板2的下表面與實(shí)物模 型17所對(duì)應(yīng)的表面相對(duì)平行后，先擰動(dòng)螺釘10將球頭導(dǎo)管6鎖死，再調(diào)整骨面探針12使 每根骨面探針12的頭部與實(shí)物模型17所對(duì)應(yīng)的表面緊密接觸，然后擰動(dòng)所述的螺栓13和 螺母14將所有的骨面探針12鎖死；(5)取下導(dǎo)航模板15高溫消毒后放到與實(shí)物模型16相對(duì)應(yīng)的需要進(jìn)行內(nèi)固定手 術(shù)的骨骼的表面上，并使每一根骨面探針12與骨面緊密接觸，最后將克氏針16沿球頭導(dǎo)管 6鉆入，即完成手術(shù)導(dǎo)航。方法2 (在計(jì)算機(jī)三維模型上建模)本方法是一種使用本發(fā)明所述的導(dǎo)航模板在計(jì)算機(jī)三維模型上建模的方案，具體 步驟如下1、采用方法1同樣的方法獲得骨骼的計(jì)算機(jī)三維模型22 ；2、在3Ds max軟件中按導(dǎo)航模板15中下夾板2的下表面的面積構(gòu)建一基準(zhǔn)面 18 (即下夾板2的模擬面)，然后，按導(dǎo)航模板15中各骨面探針12的長(zhǎng)度和每一骨面探針 12與下夾板2的下表面位置關(guān)系作基準(zhǔn)面18的垂線19 (即骨面探針12的模擬線)，按球 頭導(dǎo)管6上球頭8與下夾板2的下表面的位置關(guān)系作點(diǎn)20 (即球頭8的模擬點(diǎn))，再作一 經(jīng)過(guò)點(diǎn)20的直線21 (即球頭導(dǎo)管6的模擬線)，最后將基準(zhǔn)面18、垂線19、點(diǎn)20和直線21 組合成一體；3、然后將步驟(1)得到的計(jì)算機(jī)三維模型22導(dǎo)入步驟(2)所得圖形的同一界面內(nèi)并進(jìn)行下述匹配操作A、移動(dòng)步驟(1)得到的計(jì)算機(jī)三維模型22或步驟(2)所得圖形，使基準(zhǔn)面18與 所述的計(jì)算機(jī)三維模型22上對(duì)應(yīng)的需要進(jìn)行內(nèi)固定手術(shù)的骨骼表面相對(duì)平行后，先打散 步驟(2)所得圖形，再將基準(zhǔn)面18與所述的計(jì)算機(jī)三維模型22組合成一體；B、先在所述的計(jì)算機(jī)三維模型22上沿預(yù)定的骨固定螺釘路徑畫(huà)一條線作為克氏 針16的模擬線，然后，在基準(zhǔn)面18的垂直方向上移動(dòng)垂線19，使得的每一根垂線19的端頭與所述的計(jì) 算機(jī)三維模型22的表面緊密接觸；繞點(diǎn)20轉(zhuǎn)動(dòng)直線21，使之與克氏針16的模擬線完全重 合；C、將步驟2界面上所有圖形組合成一體并分別測(cè)量下述兩組數(shù)據(jù)一是每一根垂線19自基準(zhǔn)面18至所述的計(jì)算機(jī)三維模型表面的長(zhǎng)度，二是直線21與基準(zhǔn)面18的夾角；4、松開(kāi)固定半哈夫塊9的固定螺釘10和所述的L形結(jié)構(gòu)上的螺栓13及鎖緊螺母 14，分別調(diào)整骨面探針12和球頭導(dǎo)管6與上下夾板的相對(duì)位置使之符合下述要求后再鎖 死各骨面探針12伸出下夾板2下表面的的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)等于步驟3測(cè)得的垂線19自基準(zhǔn)面 18至所述的計(jì)算機(jī)三維模型表面的長(zhǎng)度；球頭導(dǎo)管6與上下夾板的夾角等于步驟3測(cè)得的 直線21與基準(zhǔn)面18的夾角；5、將導(dǎo)航模板15高溫消毒后放到與實(shí)物模型16相對(duì)應(yīng)的需要進(jìn)行內(nèi)固定手術(shù)的 骨骼的表面上，并使每一根骨面探針12與骨面緊密接觸，最后將克氏針16沿球頭導(dǎo)管6鉆 入，即完成手術(shù)導(dǎo)航。
權(quán)利要求
一種基于三維建模的骨科手術(shù)導(dǎo)航模板，其特征在于一上夾板(1)與一下夾板(2)貼合在一起，二者之間設(shè)有縱向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，中部相對(duì)設(shè)有圓孔(3)，所述的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是常見(jiàn)的燕尾槽導(dǎo)向結(jié)構(gòu)；一球頭導(dǎo)管(6)，其縱向設(shè)有穿設(shè)克氏針的導(dǎo)向孔(7)，一頭向外擴(kuò)張成形成一球頭(8)；該球頭(8)設(shè)在夾板(1)和下夾板(2)中部相對(duì)設(shè)置的圓孔(3)內(nèi)；兩半哈夫塊(9)對(duì)合卡在球頭導(dǎo)管(6)上所設(shè)球頭(8)的上下兩側(cè)，每一半哈夫塊(9)的中部相對(duì)設(shè)有與球頭導(dǎo)管(6)上所設(shè)球頭(8)相匹配球缺形孔，分別由螺釘(10)分別固定在上夾板(1)和一下夾板(2)上；上夾板(1)和下夾板(2)上相對(duì)密集分布有若干個(gè)垂直的小孔(11)，每一小孔(11)內(nèi)分別根穿設(shè)一根與之動(dòng)配合的骨面探針(12)；所述的上夾板(1)和下夾板(2)中有一塊夾板的一頭向外延伸后再向另一塊夾板的端頭延伸形成一L形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在與所述另一塊夾板端頭相對(duì)的部位設(shè)有一螺孔，孔內(nèi)穿設(shè)有螺栓(13)，該螺栓(13)的體部在位于所述L形結(jié)構(gòu)的外側(cè)設(shè)有一鎖緊螺母(14)，頭部正對(duì)所述另一塊夾板的端頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維建模的骨科手術(shù)導(dǎo)航模板，其特征在于，所述 的骨面探針(12)為圓截面的細(xì)棒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于三維建模的骨科手術(shù)導(dǎo)航模板，其特征在于，所 述的骨面探針(12)的兩頭均為球面。
全文摘要
本發(fā)明涉及人體骨科手術(shù)的導(dǎo)引器，具體涉及一種基于三維建模的骨科手術(shù)導(dǎo)航模板，其特征在于，上夾板(1)與下夾板(2)貼合在一起，二者之間設(shè)有縱向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，中部設(shè)有圓孔(3)；球頭導(dǎo)管(6)的球頭(8)設(shè)在所述的圓孔(3)內(nèi)并由兩半哈夫塊(9)分別固定在上夾板(1)和一下夾板(2)上；上夾板(1)和下夾板(2)上相對(duì)密集分布有若干個(gè)垂直的小孔(11)，每一小孔(11)內(nèi)分別根穿設(shè)一根與之動(dòng)配合的骨面探針(12)；上夾板(1)和下夾板(2)中有一塊夾板的一頭為L(zhǎng)形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)上設(shè)有螺孔，孔內(nèi)穿設(shè)有螺栓(13)，該螺栓(13)的體部在位于所述L形結(jié)構(gòu)的外側(cè)設(shè)有一鎖緊螺母(14)，頭部正對(duì)所述另一塊夾板的端頭。
文檔編號(hào)A61B17/90GK101856264SQ201010183708
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者唐雷, 張美超, 李鑒軼, 林荔軍, 王健, 趙衛(wèi)東 申請(qǐng)人:南方醫(yī)科大學(xué)