一种3D打印的股骨头坏死导航模板及构建方法与应用

摘要

本发明公开一种3D打印的股骨头坏死导航模板及构建方法与应用，通过术前规划定制精准定位的导航模板，即通过股骨头影像数据获取和处理、股骨头三维模型重建、股骨头三维模型上定位目标区域、虚拟导航模板的数字化生成、导航模板的3D打印制作获得可与股骨头大转子区域精准匹配的导航基模板、最佳进针角度及方位的导航管；本发明基于三维重建并3D打印获得的股骨头坏死导航模板，可直观应用于手术的操作导航，有效降低辐射伤害及对患者的创伤，便于操作者掌握、操作和技术推广。

说明书

技术领域

本发明涉及股骨头坏死定位导航装置技术领域，具体的涉及一种3D打印的股骨头坏死导航模板及构建方法与应用。

背景技术

股骨头缺血坏死是临床常见病，针对股骨头缺血性坏死治疗方法有多种，其中股骨头钻孔减压，首先由德国人应用治疗股骨头缺血坏死，早期疗效显著，在理论上，降低骨内压，重建血液循环、恢复股骨头血流，使死亡的骨组织有机会与活组织相接触，促进修复过程。髓芯减压治疗早期的股骨头缺血性坏死疗效确切，已被广大临床骨科医生所认可。Steingerg等人将钻空减压与骨移植结合起来，希望去除坏死的骨质，植骨块能够加固减压部位，提供机械性支撑作用，另外，植入的骨组织起到骨诱导的作用。可保护功能，减轻疼痛、推迟全髋关节置换。

随着显微外科的发展，髓内减压加血管束或带蒂的骨(膜)移植治疗股骨头缺血性坏死的报道日益增多，也取得较好的疗效。股骨头髓芯减压，可以清晰的看到是一个较为可行和可靠的方法。以往的方法是通过体表定位、X线多方位透视，打入导针，再次透视确定角度、深度、方向，而后扩大隧道，清除坏死骨，采用上述方法存在诸多缺陷，如无法在操作时实现术前规划，做到精准的定位，同时在进行术中操作时医护人员及患者受到的辐射大，多次重复的操作确定角度、深度对患者创伤较大，同时对于操作者的经验要求较高，不便于技术的掌握和技术推广。

综上所述，目前现有技术缺乏根据个体定制的股骨头坏死导航模板用于治疗股骨头坏死，同时缺乏相应的导航模板构建方法。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种3D打印的股骨头坏死导航模板及构建方法与应用，通过术前规划定制精准定位的导航模板，直观应用于手术的操作导航，有效降低辐射伤害及对患者的创伤，便于操作者掌握、操作和技术推广。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种3D打印的股骨头坏死导航模板，包括定位基模板和导航管，导航管贯穿定位基模板设置，所述定位基模板通过3D打印获得，一面凹陷匹配股骨头大转子解剖结构，并于另一面贯穿设置导航管，所述导航管为带贯通导航孔的空心结构，与定位基模板呈角度且导航管凸起于定位基模板。

进一步的，所述定位基模板的厚度为2-4mm。

本发明的另一目的在于，提供一种3D打印的股骨头坏死导航模板的构建方法，包括以下步骤：

步骤1.股骨头影像数据获取和处理

采用64排螺旋CT对髋关节进行薄层扫描，并将原始CT图像数据以Dicom格式导入Mimics 15.0软件；

步骤2.股骨头三维模型重建

在Mimics 15.0软件中利用阈值分割(Thresholding)和区域增长(Regiongrowing)得到蒙板(Mask)，并利用编辑蒙板工具(Editing masks)仔细逐层对髋臼和股骨头进行分离，擦除髋关节，保留股骨头，利用区域增长提取出股骨，保存为新的股骨蒙板，利用布尔运算(Boolean operation)功能，完成髋臼侧的分离，通过蒙板光顺(Smooth mask)和计算3D模型(Calculate 3D)完成股骨头三维模型重建；

步骤3.股骨头三维模型上定位目标区域

利用Mimics 15.0软件MedCAD模块设计模版的导航管部分，分别在矢状位、冠状位、轴位视图中，调整导航管位置，确定最佳进针角度及方位，保证导航管顶点到达犬股骨头软骨面下负重区；

步骤4.虚拟导航模板的数字化生成

在导航管顶端精确定位在犬股骨头目标区域后，在Mimics 15.0软件中利用测量功能(Measurements)测量导航管进针深度，并以犬股骨头大转子区域作为模板域(Template domain)，逆向建立同该模版域表面骨性解剖结构相通的定位模板，并将导航管置入该定位模板，以3.0mm厚度做抽壳处理，以STL格式保存；

步骤5.导航模板的3D打印制作

在SPS350B固体激光快速成型机中导入STL格式的虚拟导航模板数据，以光敏树脂14120为材料，采用光固化成型技术制作实物导航模板。

进一步的，所述步骤4还包括将STL数据导入Geomagic studio12.0软件，将抽壳后的定位模板同导航管精确配准，数字化生成STL格式的虚拟导航模板。

进一步的，所述步骤5的固体激光快速成型机的参数设定为：加工层厚：0.1mm；加工精度：0.1mm；激光扫描速度：10m/s；功率：3kw；

成型的导航模板需去除模板残余支撑并进行光固化处理。

本发明的另一目的在于，提供一种3D打印的股骨头坏死导航模板及构建方法在股骨头坏死定位导航中的应用。

本发明的有益效果：

本发明3D打印的股骨头坏死导航模板及构建方法，通过术前规划定制精准定位的导航模板，即通过股骨头影像数据获取和处理、股骨头三维模型重建、股骨头三维模型上定位目标区域、虚拟导航模板的数字化生成、导航模板的3D打印制作获得可与股骨头大转子区域精准匹配的导航基模板、最佳进针角度及方位的导航管；

本发明基于三维重建并3D打印获得的股骨头坏死导航模板，可直观应用于手术的操作导航，有效降低辐射伤害及对患者的创伤，便于操作者掌握、操作和技术推广。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述3D打印的股骨头坏死导航模板的结构示意图；

图2为本发明实施例所述3D打印的股骨头坏死导航模板的构建方法流程图。

图3为本发明实施例2所述CT数据导入Mimics 15.0软件的示意图；

图4为本发明实施例2所述犬股骨头三维模型重建示意图；

图5为本发明实施例2所述定位犬股骨头目标区域示意图；

图6为本发明实施例2所述虚拟导航模板的数字化生成示意图；

附图中各部件的标号如下：

1-定位基模板，2-导航管。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示

一种3D打印的股骨头坏死导航模板，包括定位基模板1和导航管2，导航管2贯穿定位基模板1设置，所述定位基模板1通过3D打印获得，一面凹陷匹配股骨头大转子解剖结构，并于另一面贯穿设置导航管2，所述导航管2为带贯通导航孔的空心结构，与定位基模板1呈角度且导航管2凸起于定位基模板1。

所述定位基模板1的厚度为2-4mm。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行说明：

实施例1

如图2所示

一种3D打印的股骨头坏死导航模板的构建方法，包括以下步骤：

步骤1.股骨头影像数据获取和处理

采用64排螺旋CT对髋关节进行薄层扫描，并将原始CT图像数据以Dicom格式导入Mimics 15.0软件；

步骤2.股骨头三维模型重建

在Mimics 15.0软件中利用阈值分割(Thresholding)和区域增长(Regiongrowing)得到蒙板(Mask)，并利用编辑蒙板工具(Editing masks)仔细逐层对髋臼和股骨头进行分离，擦除髋关节，保留股骨头，利用区域增长提取出股骨，保存为新的股骨蒙板，利用布尔运算(Boolean operation)功能，完成髋臼侧的分离，通过蒙板光顺(Smooth mask)和计算3D模型(Calculate 3D)完成股骨头三维模型重建；

步骤3.股骨头三维模型上定位目标区域

利用Mimics 15.0软件MedCAD模块设计模版的导航管部分，分别在矢状位、冠状位、轴位视图中，调整导航管位置，确定最佳进针角度及方位，保证导航管顶点到达犬股骨头软骨面下负重区；

步骤4.虚拟导航模板的数字化生成

在导航管顶端精确定位在犬股骨头目标区域后，在Mimics 15.0软件中利用测量功能(Measurements)测量导航管进针深度，并以犬股骨头大转子区域作为模板域(Template domain)，逆向建立同该模版域表面骨性解剖结构相通的定位模板，并将导航管置入该定位模板，以3.0mm厚度做抽壳处理，以STL格式保存；

将STL数据导入Geomagic studio12.0软件，将抽壳后的定位模板同导航管精确配准，数字化生成STL格式的虚拟导航模板。

步骤5.导航模板的3D打印制作

在SPS350B固体激光快速成型机中导入STL格式的虚拟导航模板数据，以光敏树脂14120为材料，采用光固化成型技术制作实物导航模板；

固体激光快速成型机的参数设定为：加工层厚：0.1mm；加工精度：0.1mm；激光扫描速度：10m/s；功率：3kw；

成型的导航模板需去除模板残余支撑并进行光固化处理。

上述步骤3D打印制作获得可与股骨头大转子区域精准匹配的导航基模板、最佳进针角度及方位的导航管；

本发明基于三维重建并3D打印获得的股骨头坏死导航模板，可直观应用于手术的操作导航，有效降低辐射伤害及对患者的创伤，便于操作者掌握、操作和技术推广。

实施例3

如图3-6所示

3D打印的股骨头坏死导航模板的构建的动物实验

数据采集

采用随机数字表法选取比格犬，使用戊巴比妥钠盐(默克化工技术(上海)有限公司，中国)配置3％戊巴比妥钠溶液，1ml/kg静脉注射麻醉，麻醉平稳后俯卧位固定于64排螺旋CT(GE Medieal Systems，美国)平台，对比格犬双侧髋关节进行薄层扫描。扫描数据设定：电压120KV，电流150MA，矩阵512*512，层厚0.625mm。将原始CT图像数据以Dicom格式导入Mimics 15.0软件(Materialise Corporation，比利时)。(图3)

犬股骨头三维模型重建

在Mimics 15.0软件中利用阈值分割(Thresholding)，通过沿剖面线灰度值分布曲线进行分割，跨过股骨双侧皮质绘制剖面线，拖动分割线选择最适合的阈值，分割结果保存为蒙板(Mask)。随后利用区域增长(Region growing)选择所要细分的原始蒙板，将互不连接的分割区域漂浮像素和噪声点滤除，得到新的蒙板。区域增长之后，利用编辑蒙板工具(Editing masks)仔细逐层对髋臼和股骨头进行分离，擦除髋关节，保留股骨头，利用区域增长提取出股骨，保存为新的股骨蒙板。最后利用布尔运算(Boolean operation)功能，完成髋臼侧的分离，通过蒙板光顺(Smooth mask)和计算3D模型(Calculate 3D)完成股骨头三维模型重建(图4)；

定位犬股骨头目标区域

利用Mimics 15.0软件MedCAD模块设计模版的导航管部分，分别在矢状位、冠状位、轴位视图中，仔细手动调整导航管位置，确定最佳进针角度及方位，保证导航管顶点到达犬股骨头软骨面下负重区。(图5)

3D打印虚拟导航模板的数字化生成

通过上述步骤确定导航管顶端精确定位在犬股骨头目标区域后，在Mimics 15.0软件中利用测量功能(Measurements)测量导航管进针深度，并以犬股骨头大转子区域作为模板域(Template domain)，逆向建立同该模版域表面骨性解剖结构相通的定位模板，并将导航管置入该定位模板，以3.0mm厚度做抽壳处理，以STL格式保存。将STL数据导入Geomagic studio 12.0软件(Geomagic Corporation，美国)，将抽壳后的定位模板同导航管精确配准，数字化生成STL格式的虚拟导航模板。该虚拟导航模板可精准匹配该股骨头大转子区域。(图6)

3D打印导航模板的实物制作

在SPS350B固体激光快速成型机(陕西恒通智能机械有限公司，中国)中导入STL格式的虚拟导航模板数据，以光敏树脂14120(DSM Somos Corporation，美国)为材料，采用光固化成型技术(Stereolithography Apparatus，SLA)制作实物导航模板。相关机器参数设定：加工层厚：0.1mm；加工精度：0.1mm；激光扫描速度：10m/s；功率：3kw。去除模板残余支撑并进行光固化处理。术前对模板进行低温等离子消毒。

实施例3

基于实施例2的股骨头坏死导航模板的应用；

显露手术视野

手术操作参照龚跃昆等[24]的方法。使用3％戊巴比妥钠溶液1ml/kg静脉注射麻醉，比格犬取侧卧位，后臀手术区域脱毛备皮，常规消毒铺巾。经髋关节外侧做一弧形切口，长约7cm，精细操作，逐层分离软组织，显露股骨近端及大转子。

使用3D打印导航模板术中定位及建立骨隧道

用骨膜剥离器仔细将大转子及其周边附着的软组织剥离干净，将3D打印导航模板按照术前设计，贴附于对应骨面，左右轻微晃动见3D打印导航模板贴附紧密后，用电钻将预先标记长度的直径1.5mm克氏针通过3D打印导航模板的导航孔打入，注意仔细观察克氏针预先标记的长度，避免打入过浅或打入过深；小心取出3D打印导航模板，注意避免将克氏针一同拔出；使用电钻将预先标记长度的直径4.0mm空心钻沿克氏针打入，注意仔细观察预先标记的长度，避免打入过浅或打入过深；术中用C型臂X光机透视，确定骨隧道到达股骨头预定区域。

实施例4

3D打印的股骨头坏死导航模板及构建方法在股骨头坏死定位导航中的应用。

根据上述实施例的具体描述，通过术前规划定制精准定位的导航模板，即通过股骨头影像数据获取和处理、股骨头三维模型重建、股骨头三维模型上定位目标区域、虚拟导航模板的数字化生成、导航模板的3D打印制作获得可与股骨头大转子区域精准匹配的导航基模板、最佳进针角度及方位的导航管，可以进行个性化定制、规划手术操作，可直观应用于手术的操作导航，有效降低辐射伤害及对患者的创伤，便于操作者掌握、操作和技术推广。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。