CN101856264B - 一种基于三维建模的骨科手术导航模板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人体骨科手术的导引器，具体涉及一种基于三维建模的骨科手术导航模板，其特征在于，上夹板(1)与下夹板(2)贴合在一起，二者之间设有纵向运动的导向结构，中部设有圆孔(3)；球头导管(6)的球头(8)设在所述的圆孔(3)内并由两半哈夫块(9)分别固定在上夹板(1)和一下夹板(2)上；上夹板(1)和下夹板(2)上相对密集分布有若干个垂直的小孔(11)，每一小孔(11)内分别根穿设一根与之动配合的骨面探针(12)；上夹板(1)和下夹板(2)中有一块夹板的一头为L形结构，该结构上设有螺孔，孔内穿设有螺栓(13)，该螺栓(13)的体部在位于所述L形结构的外侧设有一锁紧螺母(14)，头部正对所述另一块夹板的端头。

Description

一种基于三维建模的骨科手术导航模板

技术领域

本发明涉及外科手术装置，具体涉及人体骨科手术的导引器。

背景技术

目前植入物在骨科手术中应用越来越多，一般说来，在骨科植入物手术中螺钉的准确置入对于手术安全最为重要，如脊柱创伤复位、畸形矫正等手术中，一般都会采用椎弓根螺钉内固定手术，但由于椎弓根内侧即为走行脊髓等重要结构的椎管，一旦椎弓根螺钉植入椎管内，就会导致脊髓损伤并引起瘫痪、大小便失禁等并发症，而且从腰椎向上，胸椎、颈椎的椎弓根横截面直径越来越小，加大了手术难度及风险。

因此，人们开始寻找可以准确定位的导航系统开展计算机辅助骨科手术，保证手术准确安全地开展。目前使用的导航系统普遍具有如下工作原理：医生手持经过改进后的手术工具，一般来说手术工具上装有标记点，对患者的手术目标实施操作，手术工具的空间立体定位及瞄准过程均在跟踪器的实时控制之下，而且跟踪器能够精确地给出术中解剖部位与术前或术中X线/CT/MRI等多模图像之间的位置关系，经过相应的坐标转换，如平移、旋转等，控制手术工具达到要求的部位，从而实施相应的手术操作。但目前临床应用中计算机导航技术同样也存在着一些缺点，如设备价格昂贵、操作复杂、手术时间延长，以及模板精确度不高，与人体细胞具有排异性等，限制了此技术在临床的广泛应用。

国知局2009年3月25日公开的《一种可用于椎弓根定位的导航模板制作方法》(公开号CN 101390773A)的发明专利，该发明专利将逆向工程与快速成型制造相结合，术前对患者进行CT扫描，采集患者手术区域的数字图像。利用三维重建软件对所采集的数据进行分析，导出待手术椎骨的三维重建模型。应用逆向工作软件，根据椎骨的三维重建模型设计椎弓根的最佳进钉钉道，并提取椎板后部的表面信息，在系统中建立与椎板后部的解剖形态一致的反向模型，最后利用激光快速成型技术制作带有椎弓根钉道的反向导航模板。此发明专利在手术前就已经将导航模板制作完成，不需要在术中应用其它设备进行椎弓根的定位，大大减少了手术的时间，减少了患者痛苦。

但是，由于人体各部位的骨骼形状千差万别，且不同患者同一部位的骨骼形状也不相同，因此，按上述专利申请所述方案进行手术时，都必须要制备反向导航模型，无疑既要延长手术前的准备时间，又要增加制备反向导航模型的医疗费用。

发明内容

鉴于现有技术存在上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种通用的骨科手术导航模板。

本发明解决上述问题的技术方案如下所述。

一种基于三维建模的骨科手术导航模板，其特征在于：

一上夹板与一下夹板贴合在一起，二者之间设有纵向运动的导向结构，中部相对设有圆孔，所述的导向结构是常见的燕尾槽导向结构；

一球头导管，其纵向设有穿设克氏针的导向孔，一头向外扩张成形成一球头；该球头设在夹板和下夹板中部相对设置的圆孔内；

两半哈夫块对合卡在球头导管上所设球头的上下两侧，每一半哈夫块的中部相对设有与球头导管上所设球头相匹配球缺形孔，分别由螺钉分别固定在上夹板和一下夹板上；

上夹板和下夹板上相对密集分布有若干个垂直的小孔，每一小孔内分别根穿设一根与之动配合的骨面探针；

所述的上夹板和下夹板中有一块夹板的一头向外延伸后再向另一块夹板的端头延伸形成一L形结构，该结构在与所述另一块夹板端头相对的部位设有一螺孔，孔内穿设有螺栓，该螺栓的体部在位于所述L形结构的外侧设有一锁紧螺母，头部正对所述另一块夹板的端头。

本发明所述的导航模板，其中所述的骨面探针为圆截面的细棒，此举可大大改善骨面探针本身和上下夹板穿设小孔的工艺性。

本发明所述的导航模板，其中所述的骨面探针的两头均为球面，其目的一是为了便于穿设，二是为了使其端点与凹凸不平的骨面接触，进一步提高导航效果。

本发明所述的导航模板可用于骨科内固定手术的导航，其基本原理是，以下夹板的下表面为基准，通过垂直(垂直于下夹板)移动骨面探针和绕球头导管的球头中心转动球头导管获得克氏针的最佳进针角度时的骨面的模拟曲面；在手术时，利用所述模拟曲面与骨平面相吻合的准确定位作用和球头导管的导向作用，进而获得克氏针的最佳进针位点和角度。

本发明所述的导航模板可根据人体各部位的空间和骨骼的大小，设计成一个系列用于骨科内固定手术的各种骨骼的导航模板，加之，所述的球头导管可转动，所述的骨面探针能伸缩，因此具有很好的通用性，既可节约社会资源，又可降低患者的经济负担。

附图说明

图1～3为本发明的一个较好实施例结构示意图，其中，图1为主视图，图2为俯视图，图3为左视图(图1中A-A剖视)。

图4为图1中局部I的放大图。

图5为图3中局部II的放大图。

图6为图1～3所示实施例中半哈夫块9的固定结构示意图。

图7为在实物模型上建模的状态示意图

图8为在计算机三维模型上建模的状态示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，以便公众进一步理解本发明的有益效果。

图1～3，为本发明的一具体实施例的结构示意图，为了使图面清晰，图1和图2只显示了一根骨面探针。

参见图1～3并结合图4、图5和图6，上夹板1与一下夹板2上下贴合在一起，二者之间设有纵向运动的燕尾槽导向结构，中部相对设有圆孔3；其中，所述的燕尾槽导向结构为两对称设在上夹板1和一下夹板2的两边，每一燕尾槽导向结构由下夹板2上表面燕尾导轨4和上夹板1下表面的燕尾槽5组成(见图5)。球头导管6纵向设有穿设克氏针的导向孔7，下头向外扩张成形成一球头8，该球头8设在上夹板1和下夹板1中部相对设置的圆孔3内。两半哈夫块9对合卡在球头导管上所设球头8的上下两侧，每一半哈夫块9的中部相对设有与球头导管6上所设球头6相匹配球缺形孔，分别由螺钉10分别固定在上夹板1和下夹板2上(见图6)。上夹板1和下夹板2相对密集分布有若干个垂直的圆形小孔11，每一圆形小孔11内分别穿设一根与之动配合的骨面探针12，每一根骨面探针12为一圆截面的细棒，两头均为圆头。下夹板2中左头向外延伸后再向上夹板1的端头延伸形成一L形结构，该结构在与上夹板1端头相对的部位设有一螺孔，孔内穿设一螺栓13，该螺栓13的体部在位于所述L形结构的外侧设有一锁紧螺母14，头部正对上夹板1的端头。

参见图1～8，本发明所述的导航模板用于骨科内固定手术的导航方法如下所述：

方法1：

本方法是一种使用本发明所述的导航模板在实物模型上建模的方案，具体步骤如下：

(1)采集需要进行内固定手术的骨骼的CT图像，导入Mimics软件中进行三维重建，获得骨骼的计算机三维模型；

(2)采用常规的逆向工程(如公开号为CN 101390773A的发明专利申请所公开的方法)将步骤(1)获得的计算机三维模型制成实物模型17；

(3)在实物模型17上沿预定的骨固定螺钉路径打入克氏针15；

(4)松开固定半哈夫块9的固定螺钉10和所述的L形结构上的螺栓13及锁紧螺母14，将导航模板15上的球头导管6套到克氏针16上，目视下夹板2的下表面与实物模型17所对应的表面相对平行后，先拧动螺钉10将球头导管6锁死，再调整骨面探针12使每根骨面探针12的头部与实物模型17所对应的表面紧密接触，然后拧动所述的螺栓13和螺母14将所有的骨面探针12锁死；

(5)取下导航模板15高温消毒后放到与实物模型16相对应的需要进行内固定手术的骨骼的表面上，并使每一根骨面探针12与骨面紧密接触，最后将克氏针16沿球头导管6钻入，即完成手术导航。

方法2(在计算机三维模型上建模)：

本方法是一种使用本发明所述的导航模板在计算机三维模型上建模的方案，具体步骤如下：

1、采用方法1同样的方法获得骨骼的计算机三维模型22；

2、在3Ds max软件中按导航模板15中下夹板2的下表面的面积构建一基准面18(即下夹板2的模拟面)，然后，按导航模板15中各骨面探针12的长度和每一骨面探针12与下夹板2的下表面位置关系作基准面18的垂线19(即骨面探针12的模拟线)，按球头导管6上球头8与下夹板2的下表面的位置关系作点20(即球头8的模拟点)，再作一经过点20的直线21(即球头导管6的模拟线)，最后将基准面18、垂线19、点20和直线21组合成一体；

3、然后将步骤(1)得到的计算机三维模型22导入步骤(2)所得图形的同一界面内并进行下述匹配操作：

A、移动步骤(1)得到的计算机三维模型22或步骤(2)所得图形，使基准面18与所述的计算机三维模型22上对应的需要进行内固定手术的骨骼表面相对平行后，先打散步骤(2)所得图形，再将基准面18与所述的计算机三维模型22组合成一体；

B、先在所述的计算机三维模型22上沿预定的骨固定螺钉路径画一条线作为克氏针16的模拟线，然后，

在基准面18的垂直方向上移动垂线19，使得的每一根垂线19的端头与所述的计算机三维模型22的表面紧密接触；绕点20转动直线21，使之与克氏针16的模拟线完全重合；

C、将步骤2界面上所有图形组合成一体并分别测量下述两组数据：一是每一根垂线19自基准面18至所述的计算机三维模型表面的长度，二是直线21与基准面18的夹角；

4、松开固定半哈夫块9的固定螺钉10和所述的L形结构上的螺栓13及锁紧螺母14，分别调整骨面探针12和球头导管6与上下夹板的相对位置使之符合下述要求后再锁死：各骨面探针12伸出下夹板2下表面的的长度对应等于步骤3测得的垂线19自基准面18至所述的计算机三维模型表面的长度；球头导管6与上下夹板的夹角等于步骤3测得的直线21与基准面18的夹角；

5、将导航模板15高温消毒后放到与实物模型16相对应的需要进行内固定手术的骨骼的表面上，并使每一根骨面探针12与骨面紧密接触，最后将克氏针16沿球头导管6钻入，即完成手术导航。

Claims (3)

1.一种基于三维建模的骨科手术导航模板，其特征在于：

一上夹板(1)与一下夹板(2)贴合在一起，二者之间设有纵向运动的导向结构，所述上夹板(1)与下夹板(2)的中部相对设有圆孔(3)，所述的导向结构是常见的燕尾槽导向结构；

一球头导管(6)，其纵向设有穿设克氏针的导向孔(7)，一头向外扩张成形成一球头(8)；该球头(8)设在上夹板(1)和下夹板(2)中部相对设置的所述圆孔(3)内；

两半哈夫块(9)对合卡在球头导管(6)上所设球头(8)的上下两侧，每一半哈夫块(9)的中部相对设有与球头导管(6)上所设球头(8)相匹配球缺形孔，分别由螺钉(10)分别固定在所述上夹板(1)和所述下夹板(2)上；

所述上夹板(1)和下夹板(2)上相对密集分布有若干个垂直的小孔(11)，每一小孔(11)内分别穿设一根与之动配合的骨面探针(12)；

所述的上夹板(1)和下夹板(2)中有一块夹板的一头向外延伸后再向另一块夹板的端头延伸形成一L形结构，该结构在与所述另一块夹板端头相对的部位设有一螺孔，孔内穿设有螺栓(13)，该螺栓(13)的体部在位于所述L形结构的外侧设有一锁紧螺母(14)，头部正对所述另一块夹板的端头。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维建模的骨科手术导航模板，其特征在于，所述的骨面探针(12)为圆截面的细棒。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于三维建模的骨科手术导航模板，其特征在于，所述的骨面探针(12)的两头均为球面。

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