一种可用于术前演练的半月板3D打印模型的制作方法

摘要

本发明涉及医疗器械技术领域，提供了一种可用于术前演练的半月板3D打印模型的制作方法，包括以下步骤：步骤一、对患者的膝关节进行核磁共振拍摄，获取所述膝关节的核磁二维图像；步骤二、根据所述膝关节的核磁二维图像构建半月板三维模型；步骤三、对所述的半月板三维模型进行三角面片优化处理，提高模型表面平滑度；步骤四、将步骤三中经过三角面片优化处理的半月板三维模型导入打印机进行3D打印半月板模型。该方法通过采集患者膝关节核磁图像，后期三维重建半月板模型，通过3D打印技术按照1:1比例真实还原患者半月板结构，3D打印在互补性及易用性上解决了传统工艺难以精确加工复杂形状的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地说，是涉及一种可用于术前演练的半月板3D打印模型的制作方法。

背景技术

半月板是位于股骨髁与胫骨平台之间的半月形纤维软骨组织，分为内侧及外侧半月板。半月板为半环形结构，呈现出外周厚、内缘薄的楔形结构，半月板表面凹陷，与股骨髁软骨匹配，底面平坦，与胫骨平台适应。半月板质韧并具有弹性，可缓冲关节运动时股骨髁与胫骨平台两骨面的撞击，发挥着吸收震荡、缓冲减压、润滑关节、维持关节稳定性等功能。

半月板的血供来源于膝内、外动脉的分支，并且该分支在关节囊内形成血管网络，半月板边缘与关节囊及滑膜紧密连接，半月板外侧1/3区域接受来源于关节囊及滑膜的血液供应，并且富含Ⅰ型胶原蛋白，称为红区；而内侧2/3区域缺乏血供，仅通过滑液渗透提供营养，富含Ⅰ型、Ⅱ型胶原蛋白及粘多糖(GAG)，称为白区；红区及白区交界区域称为红-白区。

随着目前参与运动的人数不断增加，半月板损伤发病率也在相应增加。半月板损伤后可明显影响其功能的发挥，轻者表现为无症状或轻度关节疼痛，重者表现为严重的关节疼痛、关节绞索、活动受限，甚至造成继发性的软骨退变，严重影响患者生活质量。目前临床上针对半月板损伤的治疗主要包括半月板缝合修复术或切除术，对于发生在半月板红区的损伤，由于半月板红区含有丰富的血供，自我愈合能力较强，因此，临床上针对红区的撕裂通常采取关节镜下缝合的方式进行治疗；然而，半月板白区由于缺乏血供，仅靠关节液渗透提供营养，损伤后难以修复再生，因此，目前临床上针对半月板白区的损伤，关节镜下手术切除损伤游离缘成为主要治疗手段。但是，实现半月板受损部位的精准缝合或切除是保障后期疗效的前提。半月板缝合修复术是一种精细手术操作，除了需要准确判断损伤部位及范围外，更需要将半月板受损部位断端精准吻合，才能有利于后期半月板组织愈合。对于半月板切除术，准确判断损伤部位及范围，并且将损伤游离缘精准切除同样是保障后期疗效的前提。在正式手术前使用1:1模型进行术前演练不仅可帮助手术医生提前获取手术部位的基本信息，包括受损部位、程度及范围等信息，同时还可模拟实际手术进行演练操作，规划术前方案，有利于正式手术的顺利开展。因此，通过术前演练可精确判断半月板损伤部位、程度及范围，并且模拟正式手术操作开展半月板缝合修复术或切除术，进行术前方案的制定，从而有利于术中精准吻合及切除。

现有技术中，文献CN211087703U公开了一种用于缝合练习的半月板模型，包括由弹性金属丝制成的底框，套接在底框上的两个由柔性金属丝制成的定位套，由硅胶制成的模拟用于缝合的半月板组织的硅胶体，所述底框两端设置有定位安装孔，硅胶体通过两端的定位套与底框固定连接。

但是上述文献公开的半月板模型仅为了平时缝合练习用，无法通过真实还原患者半月板损伤情况进行术前演练。因此，上述文献公开的半月板模型无法真实还原患者半月板实际损伤情况，包括损伤部位、程度及范围。

另外，上述文献公开了使用模具注塑的方式制造半月板模型，这种方式不仅价格昂贵、操作繁琐，而且无法精确加工复杂形状。

随着3D打印技术的日益成熟，其在制造业中的应用变得更加丰富，尤其在医疗行业中表现出极大的优势，3D打印拥有成本低、制造快、定制化和个性化等一系列优势，在互补性及易用性上解决了传统工艺难以精确加工复杂形状的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于术前演练的半月板3D打印模型的制作方法，以解决背景技术中提出的技术问题中的至少一项。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可用于术前演练的半月板3D打印模型的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、对患者的膝关节进行核磁共振拍摄，获取所述膝关节的核磁二维图像；

步骤二、根据所述膝关节的核磁二维图像构建半月板三维模型；

步骤三、对所述的半月板三维模型进行三角面片优化处理，提高模型表面平滑度；

步骤四、将步骤三中经过三角面片优化处理的半月板三维模型导入打印机进行3D打印半月板模型。

优选地，步骤一中对患者的膝关节进行核磁共振拍摄具体包括：

使用3.0T核磁共振仪器进行膝关节扫描，获取膝关节核磁共振图像，核磁共振扫描序列为PD-FSE-SPIR，具体参数为：重复时间(TR)：2915.0毫秒，回波时间(TE)：39.4毫秒。

具体地，步骤二中根据所述膝关节的核磁二维图像构建半月板三维模型具体包括：将所述膝关节的核磁二维图像导入医学逆向软件Mimics，在医学逆向软件Mimics中构建半月板三维模型。

优选地，将获取的所述膝关节的核磁二维图像导入医学逆向软件Mimics，将采取以下步骤进行半月板组织分割及三维模型重建：

步骤五、利用“编辑蒙罩”(Edit Masks)和“画笔”(Draw)功能，利用半月板组织与其他组织的灰度差，勾勒出半月板的基本轮廓，并且结合图像矢状位和冠状位进行调整，以最大程度勾勒出真实半月板的轮廓；

步骤六、利用“区域增长”(Region Growing)功能建立半月板“蒙版”(Mask)，选中“区域增长”功能后，将半月板内部组织全部选中，而半月板之外的组织则被剔除，从而保证后期更加准确地重建半月板三维模型；

步骤七、建立“蒙版”(Mask)后，利用“三维重建”(Calculate 3D)功能构建半月板三维模型，然后导出STL格式。

具体地，步骤三中对所述的半月板三维模型进行三角面片优化处理具体包括：将所述的半月板三维模型导入Geomagic软件进行三角面片优化处理，提高模型表面平滑度。

优选地，将所述的半月板三维模型导入Geomagic软件进行三角面片优化处理的步骤具体包括：

将STL格式的半月板三维模型导入Geomagic软件，删除所述半月板三维模型表面的钉状物，进行三角面片优化处理，进一步优化模型表面质量，随后导出STL格式文件。

进一步优选地，步骤四中进行3D打印半月板模型的步骤具体包括：

将从Geomagic软件导出的半月板模型STL格式文件导入激光3D打印机中进行3D打印产品。

进一步优选地，进行3D打印半月板模型时，选用硅胶原材料进行3D打印。

本发明的有益效果包括：

本发明所述的可用于术前演练的半月板3D打印模型的制作方法通过采集患者膝关节核磁图像，后期三维重建半月板模型，可真实还原患者半月板实际损伤情况，包括损伤部位、程度及范围；通过3D打印技术按照1:1比例真实还原患者半月板结构，3D打印拥有成本低、制造快、定制化和个性化等一系列优势，在互补性及易用性上解决了传统工艺难以精确加工复杂形状的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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它的附图。

图1为本发明所述的可用于术前演练的半月板3D打印模型的制作方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本发明所述的可用于术前演练的半月板3D打印模型的制作方法包括以下步骤：患者膝关节核磁共振拍摄，获取膝关节核磁二维图像；随后将膝关节核磁图像导入医学逆向软件Mimics，构建半月板三维模型；随后将半月板三维模型导入Geomagic软件进行三角面片优化处理，提高模型表面平滑度；最后，将三维模型导入打印机进行3D打印半月板模型。

优选地，膝关节核磁图像拍摄及三维模型构建的步骤具体包括：

使用3.0T核磁共振仪器进行膝关节扫描，获取膝关节核磁共振图像，核磁共振扫描序列为PD-FSE-SPIR，具体参数为：重复时间(TR)：2915.0毫秒，回波时间(TE)：39.4毫秒。随后将获取的膝关节核磁二维图像导入医学逆向软件Mimics软件，将采取以下步骤进行半月板组织分割及三维模型重建：

1.利用“编辑蒙罩”(Edit Masks),“画笔”(Draw)功能，利用半月板组织与其他组织的灰度差，勾勒出半月板的基本轮廓，并且结合图像矢状位、冠状位进行调整，以最大程度勾勒出真实半月板的轮廓；

2.利用“区域增长”(Region Growing)功能建立半月板“蒙版”(Mask)，选中此项功能后，通过点击半月板组织，即可将半月板内部组织全部选中，而半月板之外的组织则被剔除，从而保证后期更加准确的重建半月板三维模型；

3.建立“蒙版”(Mask)后，利用“三维重建”(Calculate 3D)功能即可构建半月板三维模型，然后导出STL格式。

优选地，三维模型的优化处理及后加工的步骤具体包括：

随后将STL格式的半月板三维模型导入Geomagic软件，删除模型表面钉状物，进行三角面片优化处理，进一步优化模型表面质量，随后导出STL格式文件。

进一步优选地，3D打印半月板移植替代物的步骤具体包括：

将导出的半月板模型STL格式文件导入激光3D打印机中进行3D打印产品，在本发明中选用硅胶原材料进行3D打印。

本发明所述的可用于术前演练的半月板3D打印模型的制作方法的技术关键点及优势包括：

1.本发明中，经过患者膝关节核磁图像的采集，后期1：1比例三维模型的构建，最终利用3D打印技术制作患者天然半月板1：1大小的半月板移植替代物，可真实还原患者半月板实际损伤情况，包括损伤部位、程度及范围。在正式手术前使用1:1模型进行术前演练不仅可帮助手术医生提前获取手术部位的基本信息，包括受损部位、程度及范围等信息，同时还可模拟实际手术进行演练操作，规划术前方案，有利于正式手术的顺利开展。

2.本发明使用3D打印技术，3D打印拥有成本低、制造快、定制化和个性化等一系列优势，在互补性及易用性上解决了传统工艺难以精确加工复杂形状的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。