一種寰樞椎椎弓根螺釘導(dǎo)向器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種寰樞椎椎弓根螺釘導(dǎo)向器及其制備方法，該方法是在醫(yī)院PACS系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)寰樞椎骨折/脫位患者頸椎CT掃描數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,使用數(shù)字可視化骨科3D設(shè)計(jì)打印工作平臺(tái)，設(shè)計(jì)制備出寰樞椎螺釘導(dǎo)向器，精準(zhǔn)度高，操作簡(jiǎn)便，造價(jià)低廉，可使復(fù)雜、高風(fēng)險(xiǎn)的寰樞椎復(fù)位固定手術(shù)，在導(dǎo)向器精準(zhǔn)的引導(dǎo)下，變得準(zhǔn)確安全、操作簡(jiǎn)便，大幅度提高手術(shù)精確新性并降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
【專利說(shuō)明】一種寰樞椎椎弓根螺釘導(dǎo)向器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)用材料和制備方法，具體涉及寰樞椎椎弓根螺釘導(dǎo)向器及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著現(xiàn)代建筑業(yè)及交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，頸椎損傷的發(fā)生率也隨之明顯上升。寰樞椎復(fù)合骨折占所有頸椎急性損傷的3%，占所有寰椎骨折的43%和樞椎骨折的16%。幾乎所有患者均有明確的外傷史。如交通事故、運(yùn)動(dòng)、跳水、高處墜落傷，頭部重物撞擊、摔傷等，傷后頸部疼痛，活動(dòng)受限。寰樞椎骨折脫位由于其解剖學(xué)特點(diǎn)，損傷后上頸椎極度不穩(wěn)定導(dǎo)致患者處于高危狀態(tài)，極易牽張壓迫延髓或頸髓而危及生命；該類損傷如處理不當(dāng)可給患者帶來(lái)嚴(yán)重的后果。
[0003]寰樞椎椎弓根螺釘技術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展的一項(xiàng)頸椎后路固定技術(shù)，是目前治療寰樞椎骨折脫位的一種安全有效的手術(shù)方法。但是，寰樞椎位于頸枕交界區(qū)，解剖結(jié)構(gòu)特殊，與胸腰椎相比，寰樞椎置釘技術(shù)缺乏固定的解剖標(biāo)志，且其解剖變異較多，其椎弓根置釘存在較大的風(fēng)險(xiǎn)；寰樞椎椎弓根螺釘有穿破骨皮質(zhì)損傷脊髓、神經(jīng)根、椎動(dòng)脈以及靜脈叢等潛在的風(fēng)險(xiǎn)缺陷。但因其具有固定節(jié)段短，可操作性強(qiáng)，術(shù)中復(fù)位好，穩(wěn)定可靠，融合率高，盡可能保留了頸椎的活動(dòng)度等優(yōu)點(diǎn)，提高了患者的生活質(zhì)量，目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為寰樞椎椎弓根螺釘系統(tǒng)是治療寰樞椎骨折脫位的首選方案之一。制定寰樞椎椎弓根螺釘導(dǎo)向器，輔助手術(shù)提高其安全性和準(zhǔn)確性，可使復(fù)雜、高風(fēng)險(xiǎn)的寰樞椎螺釘植入手術(shù)變得準(zhǔn)確安全、操作簡(jiǎn)便，大幅度提高手術(shù)精確性并降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
[0004]3D打印通?？蔀閷?dǎo)向器設(shè)計(jì)后形成實(shí)物并提供臨床使用提供有效解決方案，具有精準(zhǔn)度高，操作簡(jiǎn)便，造價(jià)低廉的特點(diǎn)。但是，利用3D打印技術(shù)打印寰樞椎導(dǎo)向器目前存在一些難以克服的技術(shù)瓶頸:
[0005]I)目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)針對(duì)骨性特征曲面提取的專業(yè)軟件，完全依賴手工繪制提??；且該方法主要應(yīng)用于工業(yè)部件曲面提取，因工業(yè)部件曲面通常有限，故手工提取工作量相對(duì)較小。在對(duì)骨折模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成蒙皮并網(wǎng)格化后存在數(shù)量巨大的三角面片，需要工科專業(yè)技術(shù)人員花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行手動(dòng)的三角面片破洞的修補(bǔ)，修補(bǔ)后根據(jù)獲得目標(biāo)曲面一一進(jìn)行手工繪制構(gòu)成實(shí)體，從而得到特征曲面體，繪制過(guò)程繁瑣且精準(zhǔn)度受人為因素影響較大。寰樞椎曲面更為復(fù)雜，即使簡(jiǎn)化后仍然有7-8萬(wàn)個(gè)曲面，手工提取及繪制工作量極其巨大；即使是熟練的專業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)人員，也要耗費(fèi)數(shù)百小時(shí)，不僅人工成本巨大，而且加上導(dǎo)向器的后期制作時(shí)間，患者往往會(huì)錯(cuò)過(guò)最佳手術(shù)時(shí)機(jī)。
[0006]2)目前3D打印技術(shù)利用快速成型技術(shù)制作導(dǎo)向器是基于SLA技術(shù)(立體光固化成型法)，用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面，這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。但存在以下缺點(diǎn):①在患者層面，樹(shù)脂固化過(guò)程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變，因此制作出的導(dǎo)向器精確度低。而寰樞椎螺釘置入時(shí)所需要的精度非常高，由于導(dǎo)向器精度導(dǎo)致的置釘誤差，有可能使患者出現(xiàn)椎動(dòng)脈損傷、頸髓損傷導(dǎo)致癱瘓或者致死在醫(yī)院層面，SLA系統(tǒng)造價(jià)高昂，其使用和維護(hù)成本過(guò)高，國(guó)內(nèi)大多數(shù)醫(yī)院無(wú)法獲得如此高昂價(jià)格的工業(yè)級(jí)制造設(shè)備，即使購(gòu)進(jìn)設(shè)備，維護(hù)設(shè)備的人力及經(jīng)濟(jì)成本也頗高，因此無(wú)法在國(guó)內(nèi)醫(yī)院推廣在醫(yī)生層面，SLA系統(tǒng)是要對(duì)液體進(jìn)行操作的精密設(shè)備，對(duì)工作環(huán)境要求苛刻，成型件多為樹(shù)脂類，強(qiáng)度，剛度，耐熱性有限，不利于長(zhǎng)時(shí)間保存，因此在導(dǎo)向器的制備過(guò)程中醫(yī)生面臨的巨大的挑戰(zhàn)。④在工程技術(shù)層面，預(yù)處理軟件與驅(qū)動(dòng)軟件運(yùn)算量大，與加工效果關(guān)聯(lián)性太高，軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜，導(dǎo)向器實(shí)體制備需要專人操作并維護(hù)，其學(xué)科交叉的特殊屬性使計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工程人員需要與骨科醫(yī)生進(jìn)行反復(fù)討論設(shè)計(jì)，耗費(fèi)大量時(shí)間。上述各個(gè)層面的不足，決定了該技術(shù)目前無(wú)法廣泛地在臨床上進(jìn)行推廣應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的任務(wù)是提供一種寰樞椎椎弓根螺釘導(dǎo)向器及其制備方法。
[0008]本發(fā)明開(kāi)發(fā)出包含5個(gè)軟件工作模塊的數(shù)字可視化骨科3D設(shè)計(jì)打印工作平臺(tái)，包括骨骼重建模塊，模型管理模塊，虛擬手術(shù)模塊，導(dǎo)向器構(gòu)建模塊和可打印處理模塊；臨床醫(yī)生直接利用這一工作平臺(tái)，輸入寰樞椎患手術(shù)患者的CT數(shù)據(jù)資料，就可以設(shè)計(jì)制備出寰樞椎螺釘導(dǎo)向器，大幅度提高手術(shù)精確性并降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
[0009]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是:在醫(yī)院PACS系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)寰樞椎骨折/脫位患者頸椎CT掃描數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用數(shù)字可視化骨科3D設(shè)計(jì)打印工作平臺(tái)(DV0-3DP)(見(jiàn)圖1)，軟件平臺(tái)包括五個(gè)交互模塊，模塊間相互運(yùn)行關(guān)系(見(jiàn)圖2)。使用“模型管理”模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入及導(dǎo)出等功能，使用“骨骼重建模塊”(見(jiàn)圖3)中的“灰度計(jì)算” “區(qū)域選擇” “三維重建”，進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，并進(jìn)行“網(wǎng)格劃分，平順化”，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平順化等處理。形成三維可視化寰樞椎后，使用“虛擬手術(shù)模塊”(見(jiàn)圖4)中的“創(chuàng)建圓柱”繪制寰樞椎螺釘并使用“移動(dòng)”調(diào)整最佳進(jìn)針位置，長(zhǎng)度深度及方向。使用“導(dǎo)向器構(gòu)建模塊”(見(jiàn)圖5)拉伸，繪制曲線“構(gòu)建導(dǎo)向器輪廓，使用“交集運(yùn)算”選擇導(dǎo)向器提取曲面，獲得符合骨性解剖形態(tài)的多曲面實(shí)體及導(dǎo)向孔位置，使用“可打印處理模塊”(見(jiàn)圖6) “設(shè)計(jì)支撐”設(shè)計(jì)打印支撐，最后導(dǎo)出為.stl文件，對(duì)導(dǎo)向器及骨折模型實(shí)體文件進(jìn)行“數(shù)據(jù)切片”形成代碼，將代碼導(dǎo)入準(zhǔn)工業(yè)級(jí)(FDM) 3D打印機(jī)制作導(dǎo)向器及骨折模型。導(dǎo)向器制作完畢后與患者1:1的骨折模型進(jìn)行準(zhǔn)確性及安全性匹配評(píng)估。術(shù)前使用低溫等離子對(duì)導(dǎo)向器及骨折模型進(jìn)行消毒便于術(shù)中導(dǎo)向使用。
[0010]實(shí)施本發(fā)明制備寰樞椎椎弓根螺釘導(dǎo)向器的技術(shù)方案包括以下步驟:
[0011]步驟一:獲取寰樞椎骨折或脫位患者的(CT--Dicom)數(shù)據(jù)并刻盤(pán)，從CT室的PACS系統(tǒng)中獲得該患者寰樞椎CT (0.5mm)薄層掃描數(shù)據(jù)，包括TOP像資料，將資料刻錄光盤(pán)，數(shù)據(jù)導(dǎo)入DV0-3DP工作平臺(tái)后首先進(jìn)行元數(shù)據(jù)確認(rèn)，證實(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)符合目標(biāo)要求后，設(shè)定三維工作平面。然后使用閾值計(jì)算工具進(jìn)行閾值的選取，選擇系統(tǒng)自帶的“骨性結(jié)構(gòu)”獲得骨性結(jié)構(gòu)的劃分，此時(shí)若結(jié)構(gòu)劃分不清晰，則返回閾值計(jì)算工具手動(dòng)選擇所需要的閾值，如果目標(biāo)結(jié)構(gòu)劃分清晰，則進(jìn)入蒙皮生成，生成原始蒙皮，獲得原始蒙皮后確認(rèn)結(jié)構(gòu)完整性，若完整性不足則進(jìn)入閾值計(jì)算重新進(jìn)行閾值劃分，若結(jié)構(gòu)完整則使用區(qū)域增補(bǔ)工具獲取擬重建結(jié)構(gòu)區(qū)域，對(duì)已獲得的擬重建結(jié)構(gòu)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相鄰連接重組后生成三維重建模型；
[0012]步驟二:對(duì)初步生成的三維重建模型首先使用網(wǎng)格化及平滑處理工具進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)處理后的三維重建模型保存為精細(xì)三維模型，再使用精簡(jiǎn)工具對(duì)精細(xì)模型進(jìn)行編輯，編輯后使用模型檢測(cè)器檢查模型，檢測(cè)通過(guò)后在精細(xì)模型的基礎(chǔ)上獲得盡可能少的三角面而提高精度的精簡(jiǎn)精細(xì)模型，檢測(cè)如果失敗則返回精簡(jiǎn)三維模型重新進(jìn)行精簡(jiǎn)編輯，最后將精簡(jiǎn)精細(xì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觀察解剖特征，無(wú)缺失及遺漏后保存重建模型，完成三維建模；
[0013]步驟三:進(jìn)入虛擬手術(shù)模塊，根據(jù)需要對(duì)精簡(jiǎn)精細(xì)模模型進(jìn)行切割及變換，切割工具包含:線切割，面切割及三維切割，分別可以進(jìn)行骨折可視化虛擬手術(shù)步驟，如:標(biāo)記截骨線，截骨及分離，復(fù)位骨折塊前準(zhǔn)備等，變換工具中的:移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，分離，合并，鏡像及疊加減功能，可以模擬真實(shí)手術(shù)步驟中復(fù)位，融合，減壓等手術(shù)步驟等，在虛擬空間中獲得滿意的骨折復(fù)位后，使用繪制工具或?qū)胍延械闹踩胛飻?shù)字文件進(jìn)行虛擬固定，繪制工具中包括了:點(diǎn)，線，圓，圓錐及圓柱，還有不規(guī)則體及曲線的繪制，便于植入物的設(shè)計(jì)，首先繪制或?qū)胫睆綖?.0mm-4.0mm椎弓根螺釘，模擬手術(shù)置釘，確定寰樞椎椎弓根螺釘置入長(zhǎng)度深度及方向完成虛擬手術(shù)后評(píng)價(jià)手術(shù)效果，手術(shù)效果滿意后使用測(cè)量工具，可以測(cè)量三維空間中的長(zhǎng)度，角度便于標(biāo)記，留存為手術(shù)參數(shù)；
[0014]步驟四:進(jìn)入導(dǎo)向器設(shè)計(jì)模塊，打開(kāi)精簡(jiǎn)精細(xì)模型，首先根據(jù)擬設(shè)計(jì)的導(dǎo)向器大小，輪廓，繪制直線輪廓及曲線輪廓，構(gòu)成初級(jí)導(dǎo)向面，使用拉伸工具，將繪制完畢的初級(jí)導(dǎo)向面拉伸至合適的尺寸，Cl導(dǎo)向器部分底部不超過(guò)C2棘突最高點(diǎn)，頂部不超過(guò)齒狀突平面，C2導(dǎo)向器頂部不超過(guò)Cl后環(huán)，底部不超過(guò)C3棘突，導(dǎo)向器兩側(cè)寬度不超過(guò)對(duì)應(yīng)椎體兩側(cè)椎動(dòng)脈孔距離，長(zhǎng)度不超過(guò)對(duì)應(yīng)椎體兩側(cè)椎動(dòng)脈切跡，拉伸完畢后沿對(duì)應(yīng)椎體上緣繪制曲線結(jié)構(gòu)相同的拉伸曲線，使用替換工具將初級(jí)導(dǎo)向面拉伸后獲得的結(jié)構(gòu)體上方面替換為特征性拉伸曲線，達(dá)到去遮擋的作用，然后使用調(diào)整相交量工具獲得準(zhǔn)備曲面的初級(jí)導(dǎo)向體，將虛擬手術(shù)模塊中保存的手術(shù)參數(shù)，如:螺釘，骨折模型等導(dǎo)入后，獲得導(dǎo)向器內(nèi)導(dǎo)向孔的位置信息，調(diào)整初級(jí)導(dǎo)向體的位置，使用旋轉(zhuǎn)及移動(dòng)工具與骨折模型匹配，然后使用集運(yùn)算工具獲得特征性曲面，保存為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)向器；
[0015]步驟五:進(jìn)入可打印處理模塊，首先獲得虛擬打印平臺(tái)，根據(jù)3D打印機(jī)的尺寸長(zhǎng)寬高參數(shù)設(shè)定，導(dǎo)入骨折及導(dǎo)向器模型，使用模型判定工具，需要支撐的模型進(jìn)行下一步支撐設(shè)計(jì)，不需要支撐的模型則直接保存為.stl文件，供3D打印機(jī)打印，需要支撐的模型進(jìn)入支撐定義，按照順序依次選擇支撐角度，分布密度及底直徑，接觸直徑的設(shè)定，設(shè)定完畢生成支撐并與擬打印的模型合并，生成可打印的精簡(jiǎn)精細(xì)模型及可打印導(dǎo)向器的.stl文件，供3D打印機(jī)打??；
[0016]步驟六:對(duì)導(dǎo)向器及骨折模型實(shí)體文件進(jìn)行“數(shù)據(jù)切片”形成代碼，將骨折及導(dǎo)向器.stl格式文件導(dǎo)入3D打印機(jī)配套軟件進(jìn)行Platform移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，確保支撐有效物體能可靠打印，計(jì)算打印材料，時(shí)間及擠出機(jī)速度等參數(shù)調(diào)整，使用代碼生成器對(duì)骨折及導(dǎo)向器“切片”形成.gode文件并保存SD卡；
[0017]步驟七:代碼導(dǎo)入準(zhǔn)工業(yè)級(jí)(FDM)3D打印機(jī)制作導(dǎo)向器及骨折模型。
[0018]本發(fā)明開(kāi)發(fā)出數(shù)字可視化骨科3D設(shè)計(jì)打印工作平臺(tái)，使臨床醫(yī)生直接利用這一工作平臺(tái)，輸入寰樞椎患手術(shù)患者的CT數(shù)據(jù)資料，就可以設(shè)計(jì)制備出寰樞椎螺釘導(dǎo)向器，可以克服目前國(guó)內(nèi)該【技術(shù)領(lǐng)域】瓶頸，具有重大的科研價(jià)值和臨床使用意義。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1:數(shù)字可視化骨科3D設(shè)計(jì)打印工作軟件平臺(tái)軟件模塊圖；
[0020]圖2:模塊交互圖；
[0021]圖3:骨骼重建模塊運(yùn)行流程圖；
[0022]圖4:虛擬手術(shù)模塊運(yùn)行流程圖；
[0023]圖5:導(dǎo)向器構(gòu)建模塊運(yùn)行流程圖；
[0024]圖6:可打印處理模塊運(yùn)行流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)施例1
[0026]步驟一:獲取寰樞椎骨折/脫位患者的(CT--Dicom)數(shù)據(jù)并刻盤(pán)，首先記錄寰樞椎患者姓名，住院號(hào)及入院時(shí)間，從本院CT室的PACS系統(tǒng)中獲得該患者寰樞椎CT (0.5mm)薄層掃描數(shù)據(jù)，包括TOP像資料，將資料刻錄光盤(pán)。數(shù)據(jù)導(dǎo)入DV0-3DP工作平臺(tái)后首先進(jìn)行元數(shù)據(jù)確認(rèn)，證實(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)符合目標(biāo)要求后，設(shè)定三維工作平面。然后使用閾值計(jì)算工具進(jìn)行閾值的選取，選擇系統(tǒng)自帶的“骨性結(jié)構(gòu)”獲得骨性結(jié)構(gòu)的劃分。此時(shí)若結(jié)構(gòu)劃分不清晰，則返回閾值計(jì)算工具手動(dòng)選擇所需要的閾值。如果目標(biāo)結(jié)構(gòu)劃分清晰，則進(jìn)入蒙皮生成，生成原始蒙皮。獲得原始蒙皮后確認(rèn)結(jié)構(gòu)完整性，若完整性不足則進(jìn)入閾值計(jì)算重新進(jìn)行閾值劃分，若結(jié)構(gòu)完整則使用區(qū)域增補(bǔ)工具獲取擬重建結(jié)構(gòu)區(qū)域。對(duì)已獲得的擬重建結(jié)構(gòu)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相鄰連接重組后生成三維重建模型。
[0027]步驟二:對(duì)初步生成的三維重建模型首先使用網(wǎng)格化及平滑處理工具進(jìn)行處理，平滑工具中包含:基礎(chǔ)平滑，收縮補(bǔ)償及合并單元，修補(bǔ)重疊。分別可以是使網(wǎng)格化后的三維重建網(wǎng)格在平滑度，三角面片的錯(cuò)角及重疊等參數(shù)上優(yōu)化。經(jīng)過(guò)處理后的三維重建模型保存為精細(xì)三維模型。再使用精簡(jiǎn)工具(包括:點(diǎn)精簡(jiǎn)，邊緣精簡(jiǎn)，區(qū)域精簡(jiǎn)等)對(duì)精細(xì)模型進(jìn)行編輯，可在局部點(diǎn)，邊緣及選定區(qū)域中選擇刪除，添加等。編輯后使用模型檢測(cè)器檢查模型的三角漏洞，畸變等。檢測(cè)通過(guò)后在精細(xì)模型的基礎(chǔ)上獲得盡可能少的三角面而提高精度的精簡(jiǎn)精細(xì)模型。檢測(cè)如果失敗則返回精簡(jiǎn)三維模型重新進(jìn)行精簡(jiǎn)編輯。最后將精簡(jiǎn)精細(xì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觀察解剖特征，無(wú)缺失及遺漏后保存重建模型，完成三維建模。
[0028]步驟三:進(jìn)入虛擬手術(shù)模塊，根據(jù)需要對(duì)精簡(jiǎn)精細(xì)模模型進(jìn)行切割及變換。切割工具包含:線切割，面切割及三維切割，分別可以進(jìn)行骨折可視化虛擬手術(shù)步驟，如:標(biāo)記截骨線，截骨及分離，復(fù)位骨折塊前準(zhǔn)備等。變換工具中的:移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，分離，合并，鏡像及疊加減功能，可以模擬真實(shí)手術(shù)步驟中復(fù)位，融合，減壓等手術(shù)步驟等。在虛擬空間中獲得滿意的骨折復(fù)位后，使用繪制工具或?qū)胍延械闹踩胛飻?shù)字文件進(jìn)行虛擬固定。繪制工具中包括了:點(diǎn)，線，圓，圓錐及圓柱，還有不規(guī)則體及曲線的繪制。便于植入物的設(shè)計(jì)。首先繪制或?qū)胫睆綖?.0mm-4.0mm椎弓根螺釘，模擬手術(shù)置釘，確定寰樞椎椎弓根螺釘置入長(zhǎng)度深度及方向完成虛擬手術(shù)后評(píng)價(jià)手術(shù)效果(例如:是否解剖復(fù)位，椎管壓迫是否解除，肢體長(zhǎng)度或關(guān)節(jié)面高度是否恢復(fù)正常，骨折損傷程度以及周圍軟組織，如:椎動(dòng)脈，頸髓安全性等)。手術(shù)效果滿意后使用測(cè)量工具，可以測(cè)量三維空間中的長(zhǎng)度，角度便于標(biāo)記。留存為手術(shù)參數(shù)。
[0029]步驟四:進(jìn)入導(dǎo)向器設(shè)計(jì)模塊，打開(kāi)精簡(jiǎn)精細(xì)模型，首先根據(jù)擬設(shè)計(jì)的導(dǎo)向器大小，輪廓，繪制直線輪廓及曲線輪廓，構(gòu)成初級(jí)導(dǎo)向面。使用拉伸工具，將繪制完畢的初級(jí)導(dǎo)向面拉伸至合適的尺寸，Cl導(dǎo)向器部分底部不超過(guò)C2棘突最高點(diǎn)，頂部不超過(guò)齒狀突平面。C2導(dǎo)向器頂部不超過(guò)Cl后環(huán)，底部不超過(guò)C3棘突。導(dǎo)向器兩側(cè)寬度不超過(guò)對(duì)應(yīng)椎體兩側(cè)椎動(dòng)脈孔距離。長(zhǎng)度不超過(guò)對(duì)應(yīng)椎體兩側(cè)椎動(dòng)脈切跡。拉伸完畢后沿對(duì)應(yīng)椎體上緣繪制曲線結(jié)構(gòu)相同的拉伸曲線，使用替換工具將初級(jí)導(dǎo)向面拉伸后獲得的結(jié)構(gòu)體上方面替換為特征性拉伸曲線，達(dá)到去遮擋的作用，然后使用調(diào)整相交量工具獲得準(zhǔn)備曲面的初級(jí)導(dǎo)向體。將虛擬手術(shù)模塊中保存的手術(shù)參數(shù)，如:螺釘，骨折模型等導(dǎo)入后，獲得導(dǎo)向器內(nèi)導(dǎo)向孔的位置信息。調(diào)整初級(jí)導(dǎo)向體的位置，使用旋轉(zhuǎn)及移動(dòng)工具與骨折模型匹配。然后使用集運(yùn)算工具(包括:交集計(jì)算，減集計(jì)算，并集計(jì)算)獲得特征性曲面，保存為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)向器；
[0030]步驟五:進(jìn)入可打印處理模塊，首先獲得虛擬打印平臺(tái)，根據(jù)3D打印機(jī)的尺寸(長(zhǎng)*寬*高)參數(shù)設(shè)定，導(dǎo)入骨折及導(dǎo)向器模型。使用模型判定工具，需要支撐的模型進(jìn)行下一步支撐設(shè)計(jì)。不需要支撐的模型則直接保存為.stl文件，供3D打印機(jī)打印。需要支撐的模型進(jìn)入支撐定義，按照順序依次選擇支撐角度，分布密度及底直徑，接觸直徑的設(shè)定。設(shè)定完畢生成支撐并與擬打印的模型合并，生成可打印的精簡(jiǎn)精細(xì)模型及可打印導(dǎo)向器的.stl文件，供3D打印機(jī)打?。?br> [0031]步驟六:對(duì)導(dǎo)向器及骨折模型實(shí)體文件進(jìn)行“數(shù)據(jù)切片”形成代碼，將骨折及導(dǎo)向器.stl格式文件導(dǎo)入3D打印機(jī)配套軟件進(jìn)行Platform移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，確保支撐有效物體能可靠打印。計(jì)算打印材料，時(shí)間及擠出機(jī)速度等參數(shù)調(diào)整。使用代碼生成器對(duì)骨折及導(dǎo)向器“切片”形成.gode文件并保存SD卡；
[0032]步驟七:代碼導(dǎo)入準(zhǔn)工業(yè)級(jí)(FDM) 3D打印機(jī)制作導(dǎo)向器及骨折模型，安裝PLA絲料，加熱擠出頭，調(diào)整打印平面，確認(rèn)打印溫度，時(shí)間及供料管通暢，開(kāi)始打印。骨折模型及導(dǎo)向器打印完畢后手動(dòng)去除模型支撐，將二者進(jìn)行匹配，使用寰樞椎骨折椎弓根釘手術(shù)器械進(jìn)行模擬手術(shù)，確認(rèn)置釘安全性，準(zhǔn)確性及匹配性評(píng)估。對(duì)導(dǎo)向器及骨折模型進(jìn)行消毒便于術(shù)中導(dǎo)向使用。
【權(quán)利要求】
1.一種寰樞椎椎弓根螺釘導(dǎo)向器的制備方法，包括以下步驟: 步驟一:獲取寰樞椎骨折或脫位患者的(CT--Dicom)數(shù)據(jù)并刻盤(pán)，從CT室的PACS系統(tǒng)中獲得該患者寰樞椎CT (0.5mm)薄層掃描數(shù)據(jù)，包括TOP像資料，將資料刻錄光盤(pán)，數(shù)據(jù)導(dǎo)入DV0-3DP工作平臺(tái)后首先進(jìn)行元數(shù)據(jù)確認(rèn)，證實(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)符合目標(biāo)要求后，設(shè)定三維工作平面。然后使用閾值計(jì)算工具進(jìn)行閾值的選取，選擇系統(tǒng)自帶的“骨性結(jié)構(gòu)”獲得骨性結(jié)構(gòu)的劃分，此時(shí)若結(jié)構(gòu)劃分不清晰，則返回閾值計(jì)算工具手動(dòng)選擇所需要的閾值，如果目標(biāo)結(jié)構(gòu)劃分清晰，則進(jìn)入蒙皮生成，生成原始蒙皮，獲得原始蒙皮后確認(rèn)結(jié)構(gòu)完整性，若完整性不足則進(jìn)入閾值計(jì)算重新進(jìn)行閾值劃分，若結(jié)構(gòu)完整則使用區(qū)域增補(bǔ)工具獲取擬重建結(jié)構(gòu)區(qū)域，對(duì)已獲得的擬重建結(jié)構(gòu)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相鄰連接重組后生成三維重建模型；步驟二:對(duì)初步生成的三維重建模型首先使用網(wǎng)格化及平滑處理工具進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)處理后的三維重建模型保存為精細(xì)三維模型，再使用精簡(jiǎn)工具對(duì)精細(xì)模型進(jìn)行編輯，編輯后使用模型檢測(cè)器檢查模型，檢測(cè)通過(guò)后在精細(xì)模型的基礎(chǔ)上獲得盡可能少的三角面而提高精度的精簡(jiǎn)精細(xì)模型，檢測(cè)如果失敗則返回精簡(jiǎn)三維模型重新進(jìn)行精簡(jiǎn)編輯，最后將精簡(jiǎn)精細(xì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觀察解剖特征，無(wú)缺失及遺漏后保存重建模型，完成三維建模； 步驟三:進(jìn)入虛擬手術(shù)模塊，根據(jù)需要對(duì)精簡(jiǎn)精細(xì)模模型進(jìn)行切割及變換，切割工具包含:線切割，面切割及三維切割，分別可以進(jìn)行骨折可視化虛擬手術(shù)步驟，如:標(biāo)記截骨線，截骨及分離，復(fù)位骨折塊前準(zhǔn)備等，變換工具中的:移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，分離，合并，鏡像及疊加減功能，可以模擬真實(shí)手術(shù)步驟中復(fù)位，融合，減壓等手術(shù)步驟等，在虛擬空間中獲得滿意的骨折復(fù)位后，使用繪制工具或?qū)胍延械闹踩胛飻?shù)字文件進(jìn)行虛擬固定，繪制工具中包括了:點(diǎn)，線，圓，圓錐及圓柱，還有不規(guī)則體及曲線的繪制，便于植入物的設(shè)計(jì)，首先繪制或?qū)胫睆綖?.0mm-4.0mm椎弓根螺釘，模擬手術(shù)置釘，確定寰樞椎椎弓根螺釘置入長(zhǎng)度深度及方向完成虛擬手術(shù)后評(píng)價(jià)手術(shù)效果，手術(shù)效果滿意后使用測(cè)量工具，可以測(cè)量三維空間中的長(zhǎng)度，角度便于標(biāo)記，留存為手術(shù)參數(shù)； 步驟四:進(jìn)入導(dǎo)向器設(shè)計(jì)模塊，打開(kāi)精簡(jiǎn)精細(xì)模型，首先根據(jù)擬設(shè)計(jì)的導(dǎo)向器大小，輪廓，繪制直線輪廓及曲線輪廓，構(gòu)成初級(jí)導(dǎo)向面，使用拉伸工具，將繪制完畢的初級(jí)導(dǎo)向面拉伸至合適的尺寸，Cl導(dǎo)向器部分底部不超過(guò)C2棘突最高點(diǎn)，頂部不超過(guò)齒狀突平面，C2導(dǎo)向器頂部不超過(guò)Cl后環(huán)，底部不超過(guò)C3棘突，導(dǎo)向器兩側(cè)寬度不超過(guò)對(duì)應(yīng)椎體兩側(cè)椎動(dòng)脈孔距離，長(zhǎng)度不超過(guò)對(duì)應(yīng)椎體兩側(cè)椎動(dòng)脈切跡，拉伸完畢后沿對(duì)應(yīng)椎體上緣繪制曲線結(jié)構(gòu)相同的拉伸曲線，使用替換工具將初級(jí)導(dǎo)向面拉伸后獲得的結(jié)構(gòu)體上方面替換為特征性拉伸曲線，達(dá)到去遮擋的作用，然后使用調(diào)整相交量工具獲得準(zhǔn)備曲面的初級(jí)導(dǎo)向體，將虛擬手術(shù)模塊中保存的手術(shù)參數(shù)，如:螺釘，骨折模型等導(dǎo)入后，獲得導(dǎo)向器內(nèi)導(dǎo)向孔的位置信息，調(diào)整初級(jí)導(dǎo)向體的位置，使用旋轉(zhuǎn)及移動(dòng)工具與骨折模型匹配，然后使用集運(yùn)算工具獲得特征性曲面，保存為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)向器； 步驟五:進(jìn)入可打印處理模塊，首先獲得虛擬打印平臺(tái)，根據(jù)3D打印機(jī)的尺寸長(zhǎng)寬高參數(shù)設(shè)定，導(dǎo)入骨折及導(dǎo)向器模型，使用模型判定工具，需要支撐的模型進(jìn)行下一步支撐設(shè)計(jì)，不需要支撐的模型則直接保存為.stl文件，供3D打印機(jī)打印，需要支撐的模型進(jìn)入支撐定義，按照順序依次選擇支撐角度，分布密度及底直徑，接觸直徑的設(shè)定，設(shè)定完畢生成支撐并與擬打印的模型合并，生成可打印的精簡(jiǎn)精細(xì)模型及可打印導(dǎo)向器的.stl文件，供3D打印機(jī)打??； 步驟六:對(duì)導(dǎo)向器及骨折模型實(shí)體文件進(jìn)行“數(shù)據(jù)切片”形成代碼，將骨折及導(dǎo)向器.stl格式文件導(dǎo)入3D打印機(jī)配套軟件進(jìn)行Platform移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，確保支撐有效物體能可靠打印，計(jì)算打印材料，時(shí)間及擠出機(jī)速度等參數(shù)調(diào)整，使用代碼生成器對(duì)骨折及導(dǎo)向器“切片”形成.gode文件并保存SD卡； 步驟七:代碼導(dǎo)入準(zhǔn)工業(yè)級(jí)(FDM) 3D打印機(jī)制作導(dǎo)向器及骨折模型。
2.一種寰樞椎椎弓根螺釘導(dǎo)向器，其特征在于它是按照權(quán)利要求1所述的方法制成。
【文檔編號(hào)】A61B17/90GK104306061SQ201410606079
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】葉哲偉, 吳星火, 劉融, 彭義兵, 李忠怡, 安穎, 陸林, 楊述華, 邵增務(wù) 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院