一种基于深度跟随的截骨导板的制造方法及截骨导板与流程

1.本发明涉及3d打印及机械加工技术领域，更具体的说是涉及一种基于深度跟随的截骨导板的制造方法及截骨导板。


背景技术：

2.对于截骨矫形手术，尤其是多平面、多层次的复杂截骨矫形，如何提高截骨的精确性、减少对患者的损伤、快速安全地完成手术操作是骨科临床治疗的重点。3d打印导板辅助下的截骨矫形术为截骨矫形提供了一种新的手术操作方式。利用3d打印导板可以保证截骨矫形手术的精确性，有助于达到理想的截骨状态，目前3d打印个性化截骨导板在临床截骨矫形中的应用越来越广泛。
3.高位楔形胫骨截骨术是治疗伴有内、外翻畸形的膝骨关节炎的手段。选择合适的截骨平面是成功实现高位楔形胫骨截骨术的必要条件，尤其是对于复杂的多平面截骨，传统截骨手术方式对于术者的技术要求较高，截骨难度大，截骨失败不仅影响外形美观，还可能损伤患者功能。与传统截骨矫形相比，3d打印截骨导板辅助下的截骨矫形可以进行精确的术前规划设计，截骨平面定位准确，减少了术中人为失误，提高了手术的准确性，实现对手术效果的预估，降低了手术并发症的发生率，避免术中过度矫形或矫形不足，在术后功能改善方面也取得了不错的效果。
4.对于骨肿瘤来说，肿瘤切除范围过大或过小都对会患者机体造成严重的损伤，如何准确切除骨肿瘤对于临床医师来说是一个巨大的考验。如当肿瘤邻近关节需进行保留关节功能的保肢手术或肿瘤累及部分髋臼时，均需要精确切除，一方面既要获得安全无瘤的外科切除边缘，另一方面又要尽可能多地保留正常骨组织，以期获得良好的重建功能。3d打印导板技术作为一种临床应用的新技术，与传统术式相比，具有其独特的优越性。三维打印截骨导板辅助切除骨肿瘤可以达到精确的外科切除边界，它可以根据患者自身的实际情况设计出复杂形状的导板，术中可以不借助导航实施快速精准地截骨。并非所有的骨肿瘤手术都能进行导板的设计，导板在手术中的应用需要有个定位点，长骨中段的手术一般不适用于导板治疗。常见的骨盆截骨导板可以明显提高骨盆截骨精度，并在提高截骨精确度的同时，尽可能多的保留了正常组织，也降低了术中骨盆附近重要血管神经损伤的发生率，减少了术中出血量。
5.脊柱截骨是重建矢状面和冠状面线形、改善平衡和行走的关键，精准又良好的截骨面的确定是手术成功的重要因素。脊柱椎管减压术是治疗颈、胸、腰椎椎管狭窄的主要术式，临床效果良好，得到广泛应用。神经根充分减压是椎管减压术取得良好临床疗效的必要保证，减压的方式通常采用磨钻、超声骨刀、枪式咬骨钳和骨刀去除椎板、棘突。对于颈、胸椎，则使用磨钻结合枪式咬骨钳方式减压，实际操作中，难免会侵入椎管，对于严重椎管狭窄患者，如马尾综合征患者，可能造成不可逆的脊髓损伤。尽管当前采用超声骨刀使安全系数大大提高，但安全性与操作者的熟练程度相关。其它的，临近重要器官与组织的截骨，都存在该问题，如脊柱畸形截骨矫形、骨盆肿瘤、脊柱肿瘤截骨等。
6.综上所述，3d打印个性化导板辅助下的截骨简化了手术流程，降低了截骨的复杂性。3d打印导板技术已经在临床截骨矫形手术中取得了成功，其临床疗效肯定。但不容忽视的是，当前截骨导板主要是用于截骨边界的限定和截骨角度的约束，对于截骨深度，仅能根据3d打印模型或影像学资料确定，从而通过骨刀或磨钻向深部进行经验性操作。基于临床实践，风险因素并未解决，这也是难以大范围推广的因素之一。因此找寻一种精准、安全、高效、不侵入危险区域的截骨方式，以彻底改善该类手术的风险系数是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种基于深度跟随的截骨导板的制造方法及截骨导板，克服了上述缺陷。
8.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种基于深度跟随的截骨导板的制造方法，具体步骤为：
10.根据ct扫描数据生成待处理位置的骨骼三维图像，并确定特征性约束区域；
11.基于骨骼三维图像的外部形态生成位置约束模板；
12.基于ct和mri影像资料，规划最优截骨位置与截骨区域；
13.基于位置约束后的截骨区域的骨骼三维图像的外部形态生成第一实体；
14.根据位置约束后的截骨区域的骨骼三维图像的内侧形态生成第二实体；
15.第一实体和第二实体通过布尔运算形成深度约束模板；
16.位置约束模板与深度约束模板合成截骨导板，并进行3d打印。
17.可选的，待处理位置的骨骼三维图像的获取方法为：将ct扫描的dicom数据导入医学图像数据处理软件，在横断面、冠状面、矢状面上，通过阈值分割、区域选择获取待处理位置骨骼，并自动生成骨骼三维图像。
18.可选的，特征性约束区域的特征性包括定位性和不可移动性。
19.可选的，若待处理位置的骨骼缺乏特征性，在ct扫描前在待处理的骨骼表面皮肤粘贴或固定2个以上金属标记物，生成的待处理位置的骨骼三维图像中包含标记物。
20.其优点在于，通过采用人工标记的方式为没有特征性骨骼增加特征性，克服了无特征性骨骼的定位问题，提高了导板的利用率。
21.可选的，位置约束模板生成步骤具体为：根据骨骼三维图像的外部形态设计反向模板，并通过向外拉伸形成实体。
22.可选的，第一实体的获取步骤为：基于位置约束后的截骨区域的骨骼三维图像的外表面曲面向内侧拉伸并超越内表面，设计成与外表面曲面一致的反向实体，定义为第一实体。
23.可选的，第二实体的获取步骤为：对位置约束后的截骨区域的骨骼三维图像进行分割以消除阻挡，获得骨骼的内表面，将骨骼内表面曲面进行外侧拉伸，与第一实体拉伸方向平行，方向相反，形成实体，定义为第二实体。
24.可选的，截骨导板应用时，磨钻的约束长度为h-x，其中，h为深度约束模板至骨骼内侧对应点的厚度；x为保留固定厚度。
25.一种基于深度跟随的截骨导板，包括位置约束模板和深度约束模板；所述位置约
束模板为根据骨骼外部形态形成的反向模板；所述深度约束模板包括根据骨骼外表面曲面拉伸获得的第一实体和根据骨骼的内表面曲面进行拉伸获得的第二实体。
26.可选的，所述深度约束模板为中空结构。
27.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种基于深度跟随的截骨导板的制造方法及截骨导板，通过此方法获得的截骨导板，能够解决常规导板无法做到的截骨深度控制问题，有效避免了截骨时深部组织的损伤风险。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
29.图1为本发明的方法流程示意图；
30.图2(a)为脊柱去除椎体后隐藏面的示意图(内侧面视图)；图2(b)为深度跟随截骨导板的示意图；图2(c)为截骨导板与脊柱背侧嵌合后示意图(外侧面视图)；图2(d)为磨除椎板骨质后的示意图(内侧面视图)。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例1
33.本发明实施例公开了一种基于深度跟随的截骨导板的制造方法，包括位置约束与深度约束这两部分，具体步骤如图1所示，以脊柱为例，首先是位置约束，依据影像学资料确定截骨范围，导入医学图像数据处理软件(如mimics软件)中，依据患者脊柱ct扫描(1mm层厚)的dicom数据，在横断面、冠状面、矢状面上，通过阈值分割、区域选择等操作获取需要的脊柱节段，将其自动生成脊柱三维图像，寻找用于定位的、不可能移动的特征性约束区域，如关节突、棘突，该约束区域通常需要避开截骨区域，以免截骨过程中因该区域的脱离而导致模板移动。按照其背侧形态设计反向模板，通过拉伸形成实体，使之能紧密贴合脊柱背侧而不移动。通过导板与骨面的嵌合，实现位置约束。而截骨的位置与边界，完全取决于患者症状、体征，以及影像学资料。对于缺乏特征性凹凸区域的，如颅骨，采用颅骨表面皮肤粘贴或固定2个以上金属标记物后再ct扫描，重建的三维图像包含标记物，以标记物作为模板位置约束条件进行设计，术中参照头颅表面依据标记物画下的印迹摆放模板，实现定位。
34.其次是深度约束，依据ct和mri影像资料，确定狭窄范围，规划最优截骨位置与截骨区域，依据位置约束后的脊柱截骨区域的椎板背侧形态，将椎管外表面向内侧曲面拉伸并设计成与外表面曲面一致的反向实体；再通过冠状面分割椎管，将椎管内侧面截骨区域的面显示，并进行相同法线上的外侧拉伸，成为实体，两实体通过布尔运算，形成的模板上表面的形态为椎管内侧面形态，而接触面为椎管外侧面形态。该方法获得的结果是，模板贴
合椎板后，在模板拉伸法向线方向，任意点的模板背侧至椎管内侧面相应点的厚度h始终恒定，即任意位置模板厚度加椎板厚度是恒定常数，从而实现深度约束。根据临床需要，截骨范围确定后，还需要向外侧通过软件扩大深度约束模板，这样，将深度约束模板局部环形开槽后，依然保留一定厚度的边界。随后，定长磨钻可进行环形截骨，这样深度约束模板被分成2块，相互之间是脱离的。最后，将位置约束模板和深度约束模板合并成截骨导板，生成stl文件后3d打印出成品。
35.应用时，将磨钻约束长度为h或h-x(当约束长度为h时，为完全截骨，长度为h-x时，为可控截骨，即保留固定厚度x)，紧贴截骨导板沟槽侧进行截骨，实现深度跟随高精准截骨，从而达到高效、精准的截骨操作。通俗点说，就如同磨钻磨鸡蛋壳，徒手磨掉蛋壳而内膜不损伤是困难且耗时的，采用这种方法开发的深度跟随导板，可以十分快速的磨掉蛋壳而不会损伤内膜。蛋壳是规则曲面，对于脊柱不规则曲面进行限深截骨以往十分困难，采用该方法彻底解决了不规则曲面截骨的不足。
36.实施例2
37.本实施例为一个腰椎骨折合并椎管狭窄病例，通过获取脊柱ct平扫dicom数据，软件中生成需要处理节段三维图形，为了获取减压边界，将脊柱沿椎管冠状面剖开，显示隐藏的椎管面，结构如图2(a)所示；根据上述方法设计深度跟随截骨导板，截骨导板的结构如图2(b)所示，通过贴合关节突方式，使其稳定嵌合，实现位置约束；其内部为中空结构，用于放入磨钻；导板灭菌后，术中将导板与脊柱背侧嵌合，效果图如图2(c)所示，磨钻设定长度为h，贴合导板内缘，磨除椎板骨质，达到如图2(d)的效果，实现了椎板范围可控减压。
38.对于诸如颈椎单开门手术，其可控减压理念可以很好的体现。颈椎开门的铰链侧，操作不当往往容易过薄而断裂，这是个令脊柱外科医生比较头疼的问题，难以解决。采用深度跟随截骨导板，在磨钻磨铰链侧时，将磨钻长度设为h-1(mm)，处理后的铰链侧为均匀的1mm，从而避免了折断的风险。
39.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
40.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。