CN102525608B - 用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板的制作方法，包括建立患者颅骨的三维轮廓模型；预测手术目标模型；确定颅骨切开术的切割路线、需要切割的骨瓣数量和形状，根据切割路线切割获得骨瓣；对切割导向模板进行三维建模；设计骨瓣之间的拼接结构，对拼接导向模板进行三维建模；根据切割导向模板模型和拼接导向模板模型制作切割导向模板和拼接导向模板。用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板包括切割导向模板和拼接导向模板，切割导板本体的边缘轮廓线表征手术时的切割路径；拼接导板本体的外缘具有与相邻的拼接导向模板或颅底拼接的榫槽连接结构。本发明具有在术中能够保护重要的解剖位置，不出现对骨瓣的过度切割，利于术后恢复愈合的优点。

Description

用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板及其制作方法

技术领域

本发明涉及用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板及其制作方法。

技术背景

对颅顶进行重建来实现对颅骨整形的目的，其中最为关键的技术就是对原有颅骨进行重新设计即分割、切除和拼合从而达到整形的效果。当前的颅顶设计依靠三维CT来判断颅顶畸形的状况，并凭着医生的经验在二维CT片上或纸上设计切割形状和路线，然后在手术过程中根据实际情况进行实地调整切割形状、路线及拼接方式。这种常规的方法存在着很多的问题：有些颅顶重建不一定需要将所有的颅骨进行切割拼接，只对部分颅骨进行切割分离拼接，因此很难在术前做好方案的设计；颅顶重建涉及到三维空间的定位问题，在二维平面上很难完整的考虑到颅顶重建过程中各骨瓣间的三维空间关系；由于缺乏有效手段，手术方案不能有效的转移到手术的实施过程中，对切割下来的骨瓣不能得到最佳的利用，很难得到骨瓣之间准确的拼接关系，因此很难达到术前方案所设计的预期整形结果；由于手术方案在手术过程中不能够充分实施，因此手术过程中无法实现术前方案中所规划的对重要位置及解剖结构的保护；缺少有效的辅助工具，手术过程中不能够做到细致、精确，从而会对颅骨出现过度的切割，对骨瓣带来了很大的损伤不易于术后的愈合；手术时间长，对患者的血供、血压、代谢产生影响，增加了手术的不确定因素，加大了手术风险。

在手术过程中为了能够精确的实施手术方案必须准确的切割头骨，这就需要对切割位置进行准确定位，而有一部分传统的颅顶重建手术对切入路线的定位是依靠颅顶的特征点来定位，如冠状缝和人字缝的走向或是患者脑颅的特殊结构。由于头颅内部结构复杂，血管神经交错，在切割颅骨时应该谨慎小心，避开重要血管和神经，因此在设计切割路线的时候就应该充分考虑到这些问题；有一部分的颅顶重建手术的定位是可以通过辅助定位机构来实现，而这些辅助定位机构需要将颅骨与之固定，并且这些辅助定位机构结构都比较大，其占用的空间较大影响了手术的操作空间及手术视线，加之这些辅助定位机构都是专门定制其价格昂贵，所以应用辅助定位机构在颅顶重建手术中实现定位有着很大的局限性。

发明内容

为克服现有技术容易造成对颅骨的过度切割，对骨瓣带来很大损伤，不利于术后的愈合的缺点，本发明提供了一种在术中能够保护重要的解剖位置，不出现对骨瓣的过度切割，利于术后恢复愈合的用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板及其制作方法。

用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板的制作方法，包括以下步骤：

1）、通过三维CT扫描设备或者MRI设备对患者的头部进行扫描，获得包含患者头部信息的图像数据，从头部信息的图像数据中筛选出颅骨数据，建立患者颅骨的三维轮廓模型；

2）、将患者颅骨的三维轮廓模型与正常颅骨模型对比，通过几何变换使患者颅骨的三维轮廓模型达到正常颅骨的外观要求，并将该经过几何变换后的三维模型作为手术目标模型；

3）、确定颅骨切开术的切割路线、需要切割的骨瓣数量和骨瓣形状，切割路线规避不需要分离的部位和规避矢状窦、直窦、横窦等重要的解剖结构以减小手术风险，沿着切割路线在计算机中对患者颅骨的三维轮廓模型进行模拟切割，获取根据切割路线切割获得的骨瓣模型；

4）、设计骨瓣模型与颅底的连接方式；以骨瓣的三维模型的外表面作为切割导向模板的内表面，对切割导向模板进行三维建模获得切割模板模型；

5）、对获得的骨瓣进行几何变换，变换后的颅骨模型与手术目标模型一致；获取几何变换后的骨瓣之间的再设计区域，在再设计区域内设计骨瓣之间的拼接结构；获取带有拼接结构的骨瓣模型；再设计区域是指：如果骨瓣之间的有重叠区域，则该重叠区域作为再设计区域；如果没有骨瓣之间没有重叠区域，则使用连接结构作为再设计区域，例如使用钛板连接骨瓣；

6）、以带有拼接结构的骨瓣模型的外表面作为拼接导向模板的内表面，对拼接导向模板进行三维建模获得拼接模板模型；

7）、根据切割导向模板模型和拼接导向模板模型、利用快速制造技术制作切割导向模板和拼接导向模板。

进一步，步骤4）中骨瓣与颅底的连接方式为榫槽结构，步骤5）中的连接结构也为榫槽结构；

其中一个骨瓣上具有向外凸的榫头，与该骨瓣邻接的相邻骨瓣上具有与该榫头配合的槽口。

进一步，所述的榫头和槽口均为燕尾形。

进一步，步骤3）中的切割路线的拐角处做圆角处理。

使用用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板的制作方法制作的导向模板包括切割导向模板和拼接导向模板，切割导向模板包括内表面与颅顶完全贴合的切割导板本体，切割导板本体的边缘轮廓线表征手术时的切割路径；

拼接导向模板包括内表面与颅顶完全贴合的拼接导板本体，拼接导板本体的外缘具有与相邻的拼接导向模板或颅底拼接的榫槽连接结构；所有的拼接导向模板连接形成手术后的颅顶形状。

进一步，所述的榫槽连接结构包括燕尾形的榫头和燕尾形的榫槽；榫头和榫槽的过渡线均采用圆弧过渡线。

本发明的技术构思在于：颅顶重建是解决因颅缝早闭所引起的斜头、尖头、小头、三角头等等症状，以及因脑积水或脑积血所引起的大头症的有效方法，颅顶的形状对人的外貌产生直接影响，因此在去除病症的同时对美学的追求及对生活质量的提高也是医生和病人所关心的。

本发明首先是通过采集病人的CT数据或MRI数据，运用医学图像处理软件重建病人的三维颅骨模型。在这个过程中，要对医学图像进行阈值分割、ROI（感兴趣区域）提取等图像处理方法得出颅骨的图像数据，然后进行颅骨的三维重建。CT数据或MRI数据的层厚对导向模板的精度有影响，当层厚越小对导航模板的精度越有利。重建完成以后将三维颅骨数据以通用的格式（如STL格式）导出。根据患者年龄的正常颅脑大小对患者颅顶模型进行几何变换，对其进行术后预测。然后根据术后预测的结果进行患者颅顶的重建，并设计出合理的骨瓣数量、骨瓣大小、切割路线及各骨瓣之间的拼接结构和方式。最后根据设计好的骨瓣进行切割导向模板和拼接导向模板的制作。

手术时，医生先将切割导向模板贴合在患者颅骨上，沿着切割导向模板对颅骨进行切割。然后将拼接导向模板贴合在从患者颅骨上切割下来的患者骨瓣上，沿着拼接导向模板切割患者骨瓣。最后将切割后的患者骨瓣相互拼合形成颅顶，再将颅顶与颅底拼合，从而完整颅骨重建手术。

由于切割导向模板和拼接导向模板均不是用固定工具固定在颅骨上的，其定位方式是采用颅骨本身的曲面形状及颅骨上本身存在的凹凸点或是区域，所以在骨瓣设计的过程中要保留颅骨本身的特征点，即导向模板的内表面与患者颅骨的外表面完全贴合。

在导向模板的设计过程中为了能够方便医生操作，可以对导向模板的切割拐角处进行圆角处理。为了能够使得医生容易区分各个导向模板在颅顶上所处的位置，可以对导向模板进行标记。

本发明通过制造切割导向模板和拼接导向模板，将切割导向模板和拼接导向模板依次紧贴患者颅骨，对患者颅骨进行切割，无需使用特殊的固定装置，提高了颅骨切割的准确性，同时降低了颅骨切开术的复杂性，并规避了颅骨的重要解剖结构，减少对颅骨的损伤，利于术后恢复。

附图说明

图1A是正常颅骨的颅顶解剖结构。

图1B是正常颅骨的侧面解剖结构。

图1C是患巨颅症的病人与正常人颅顶的区别。

图2是本发明的流程图。

图3A是拍摄CT时的一个断面图像。

图3B是通过CT图像数据重建的颅顶三维轮廓模型。

图4A是术后颅顶与根据CT数据重建的颅顶三维模型的对比的前后剖视图。

图4B是术后颅顶与根据CT数据重建的颅顶三维模型的对比的左右剖视图。

图5A是对根据CT图像数据重建的患者颅骨模型模拟切割的示意图。

图5B是骨瓣与颅底的连接方式示意图。

图5C是模拟切割形成的四块骨瓣的示意图。

图6是将模拟切割形成的骨瓣参照手术目标模型进行几何变换后的示意图。

图7是骨瓣间的拼接结构设计完成后的术后颅顶形状。

图8是图7的拼接结构的示意图。

图9是切割导向模板的示意图。

图10是切割导向模板紧贴患者颅骨的示意图。

图11是拼接导向模板的示意图。

图12是拼接导向模板紧贴手术目标模型的示意图。

图13A是将切割导向模型紧贴患者颅骨的示意图。

图13B是将拼接导向模型紧贴从患者颅骨中取下骨瓣的示意图。

图14A是根据斜头患者的CT数据重建的颅骨三维模型的示意图。

图14B是调整颅骨骨瓣位置后的术后颅骨模型。

图14C是医生在手术过程中沿着切割导向模板切割出骨瓣的示意图。

图15A是因为冠状缝与矢状缝过早闭合而引起的小头病例的颅骨模型。

图15B是模拟重建冠状缝的示意图。

图15C是医生将切割导向模板放在顶骨上的示意图。

具体实施方式

实施例一

用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板的制作方法，包括以下步骤：

1）、通过三维CT扫描设备或者MRI设备对患者的头部进行扫描，获得包含患者头部信息的图像数据，从头部信息的图像数据中筛选出颅骨数据，建立患者颅骨的三维轮廓模型；

2）、将患者颅骨的三维轮廓模型与正常颅骨模型对比，通过几何变换使患者颅骨的三维轮廓模型达到正常颅骨的外观要求，并将该经过几何变换后的三维模型作为手术目标模型；

3）、确定颅骨切开术的切割路线、需要切割的骨瓣数量和骨瓣形状，切割路线规避不需要分离的部位和重要的解剖结构以减小手术风险，沿着切割路线在计算机中对患者颅骨的三维轮廓模型进行模拟切割，获取根据切割路线切割获得的骨瓣模型；

4）、设计骨瓣与颅底的连接方式；以骨瓣的三维模型的外表面作为切割导向模板的内表面，对切割导向模板进行三维建模获得切割导向模板模型；

5）、对获得的骨瓣进行几何变换，变换后的颅骨模型与手术目标模型一致；获取几何变换后的骨瓣之间的再设计区域，在再设计区域内设计骨瓣之间的拼接结构；去除骨瓣的除拼接结构以外的重叠区域，获取带有拼接结构的骨瓣模型；再设计区域是指：如果骨瓣之间的有重叠区域，则该重叠区域作为再设计区域；如果没有骨瓣之间没有重叠区域，则使用连接结构作为再设计区域，例如使用钛板连接骨瓣；

6）、以带有拼接结构的骨瓣模型的外表面作为拼接导向模板的内表面，对拼接导向模板进行三维建模获得拼接导向模板模型；

7）、根据切割导向模板模型和拼接导向模板模型、利用快速成型技术制作切割导向模板和拼接导向模板。

步骤4）中骨瓣与颅底的连接方式为榫槽结构，步骤5）中的连接结构也为榫槽结构；

其中一个骨瓣上具有向外凸的榫头，与该骨瓣邻接的相邻骨瓣上具有与该榫头配合的槽口；

所述的榫头和槽口均为燕尾形。

步骤3）中的切割路线的拐角处做圆角处理。

本发明的技术构思在于：颅顶重建是解决因颅缝早闭所引起的斜头、尖头、小头、三角头等等症状，以及因脑积水或脑积血所引起的大头症的有效方法，颅顶的形状对人的外貌产生直接影响，因此在去除病症的同时对美学的追求及对生活质量的提高也是医生和病人所关心的。

本发明首先是通过采集病人的CT数据或MRI数据，运用医学图像处理软件重建病人的三维颅骨模型。在这个过程中，要对医学图像进行阈值分割、ROI（感兴趣区域）提取等图像处理方法得出颅骨的图像数据，然后进行颅骨的三维重建。CT数据或MRI数据的层厚对后导向模板的精度有影响，当层厚越小对导航模板的精度越有利。重建完成以后将三维颅骨数据以通用的格式（如STL格式）导出。根据患者年龄的正常颅脑大小对患者颅顶模型进行几何变换，对其进行术后预测。然后根据术后预测的结果进行患者颅顶的重建，并设计出合理的骨瓣数量、骨瓣大小、切割路线及各骨瓣之间的拼接结构和方式。最后根据设计好的骨瓣进行切割导向模板和拼接导向模板的制作。

使用用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板的制作方法制作的导向模板包括切割导向模板和拼接导向模板，切割导向模板包括内表面与颅顶完全贴合的切割导板本体，切割导板本体的边缘轮廓线表征手术时的切割路径；

拼接导向模板包括内表面与颅顶完全贴合的拼接导板本体，拼接导板本体的外缘具有与相邻的拼接导向模板或颅底拼接的榫槽连接结构；所有的拼接导向模板连接形成手术后的颅顶形状。

所述的榫槽连接结构包括燕尾形的榫头和燕尾形的榫槽，榫头和榫槽的过渡线均采用圆弧过渡线。

手术时，医生先将切割导向模板贴合在患者颅骨上，沿着切割导向模板对颅骨进行切割。然后将拼接导向模板贴合在从患者颅骨上切割下来的患者骨瓣上，沿着拼接导向模板切割患者骨瓣。最后将切割后的患者骨瓣相互拼合形成颅顶，再将颅顶与颅底拼合，从而完整颅骨重建手术。

由于切割导向模板和拼接导向模板均不是用固定工具固定在颅骨上的，其定位方式是采用颅骨本身的曲面形状及颅骨上本身存在的凹凸点或是区域，所以在骨瓣设计的过程中要保留颅骨本身的特征点，即导向模板的内表面与患者颅骨的外表面完全贴合。

在导向模板的设计过程中为了能够方便医生操作，可以对导向模板的切割拐角处进行圆角处理。为了能够使得医生容易区分各个导向模板在颅顶上所处的位置，可以对导向模板进行标记。

本发明通过制造切割导向模板和拼接导向模板，将切割导向模板和拼接导向模板依次紧贴患者颅骨，对患者颅骨进行切割，无需使用特殊的固定装置，提高了颅骨切割的准确性，同时降低了颅骨切开术的复杂性，并规避了颅骨的重要解剖结构，减少对颅骨的损伤，利于术后恢复。

实施例二

结合巨颅症病例来具体说明本发明：

在图1A和图1B中，显示出了正常颅骨的解剖结构，额骨1、顶骨2及枕骨3构成了颅顶。图1C显示了患巨颅症的病人与正常人颅顶的区别，边界13为巨颅症病人的颅顶轮廓，边界14为正常人的颅顶轮廓。颅顶重建外科手术的目的就是要将13的颅顶轮廓缩小为14的正常颅顶轮廓。

图2详细说明了本发明所陈述的颅顶重建外科手术的数字化设计方法及切割导向模板的设计方法流程。

根据本发明，病人需要拍摄CT或是MRI，得到如图3A所示的图像数据（本发明中的案例以CT数据为例），15即为一个截面上的颅骨形态，将拍摄的所有截面图像合成并提取出15的信息进行三维重建得到图3B所示的颅顶16的模型。

根据图2的流程，图4A和图4B所示的为进行模拟术后的颅顶和原三维重建的颅顶模型的对比，图4A是前后剖视图，图4B为左右剖视图，其中16为术前的颅顶骨，16'为术后的颅顶骨。具体来说，本案例要求颅顶和颅底的连接部分除了额骨1和颅底25的连接与原有的连接位置出现改变外，其他地方均不发生变化，即图4A中的17、17'及图4B中的17''颅顶16和16'重合，图4B中的17'''处根据手术的要求，需向内移动5mm使得额骨1'移动至1''处。最后使得患者的脑容积从3114600 mm³减少到2346703.11 mm³左右，头围控制在56cm左右，达到正常成人的脑容积和头围。

图5A对图3B的原三维重建颅顶进行模拟切割，在计算机上模拟切割时可以避开重要解剖结构，为了方便手术的实施，本例沿着冠状缝5及矢状缝6进行模拟切割。并设计图5B所示的骨瓣1b和颅底25之间的连接方式，该连接方式可以起到很好的定位作用。图5C所示的切割下来的四块骨瓣，额骨1a和额骨1b，顶骨2a和顶骨2b。然后对这四块骨瓣按照图4颅顶16'所示的位置进行几何变换，变换后的结果如图6所示，18为额骨1a和额骨1b的重合区域，19为额骨1b和顶骨2b的重合区域，20为额骨1a和顶骨2a的重合区域，21为顶骨2a和顶骨2b的重合区域。

为了在手术过程中能够将切割下来的骨瓣很好地拼接回去，必须对各骨瓣之间的拼接结构进行设计。图7显示为拼接结构设计完成后的术后颅顶形状，图中的拼接结构是由图6所示四个区域的大小和形状所决定的。图8是图7拼接结构的具体说明：部件22和部件23由24所示的燕尾结构进行连接，部件22从上往下或是从下往上插入到部件23的燕尾槽中，当多个部件用这种结构连接成为一个整体后，将具有很高的稳定性，相互之间就不容易脱落，医生在手术的过程中可以将四块骨瓣拼接好后再放回，进行颅顶和颅底的连接固定。图5B所显示的四块骨瓣和颅底的连接方式即为该连接方式。

利用数字化的方法在计算机中完成了颅骨三维模型重建、模拟术后形状、骨瓣的模拟切割、骨瓣的几何变换、颅骨拼接结构设计后，需要设计和加工导向模板以实施手术。导向模板的设计主要步骤为：1）模型表面提取；2）提取面的整体加厚。从图2的流程中可以看出，本发明所涉及到的导向模板有两种，第一种是如何实现模拟颅骨切割的导向模板，即如何实现对患者的颅顶进行准确的分割；第二种是如何实现颅骨拼接结构的导向模板，即将切割下来的骨瓣按一定的形状进行修整。第一种导向模板的设计就是提取图5C中分割好后的各个骨瓣的外表面，然后对其进行加厚处理，本案例中加厚的厚度为1.5mm，这主要考虑到导向模板在高温消毒后形状不能发生变形，得到图9所显示的导向模板1a-g、1b-g、2a-g和2b-g。图10显示出导向模板1a-g和2a-g与颅顶1a和2a 之间的关系，导向模板1a-g和2a-g的内表面即为颅顶1a和2a的外表面，这样就能保证导向模板在手术时能和颅骨紧密的贴合，保证了手术的精确。第二种导向模板的设计是根据图7中拼接结构设计好的颅骨来生成的，首先提取额骨1a'和1b'，顶骨2a'和2b'的外表面，然后将提取出来的表面进行加厚处理，加厚的厚度同样为1.5mm，得到图11所示的导向模板1a'-g、1b'-g、2a'-g和2b'-g。图12显示的是导向模板2a'-g和2b'-g与拼接结构设计好后的颅顶2a'和2b'之间的关系，导向模板2a'-g和2b'-g的内表面即为颅顶2a'和2b'的外表面。

导向模板轻、薄，形状需要为与颅骨表面一致的复杂曲面，根据本发明导向模板的成型可以采用快速制造技术来完成。

图13显示了医生如何使用导向模板进行具体的手术操作的，图13A显示了用于切割额骨1a的导向模板1a-g放置在颅顶16上面。由于导向模板1a-g的内表面即为额骨1a的外表面，因此导向模板1a-g放在额骨1a上能够做到完全的贴合，医生只需要沿着导向模板1a-g的边缘进行切割就可以准确的实现计算机中的模拟切割。图13B显示了用于设计额骨1a的拼接结构的导向模板1a'-g放置于已经被导向模板1a-g切割下来的额骨1a的上面。由于导向模板1a'-g是根据已经设计好拼接结构的额骨1a'的内表面加厚生成的，因此导向模板1a'-g放在额骨1a上能够做到完全的贴合，医生只需要沿着导向模板1a'-g的边缘进行切割就可以准确的实现计算机中所设计出来的拼接结构，即能够得到图7所示的具有拼接结构的额骨1a'。如上步骤医生就可以完成所有骨瓣的切割，得到额骨1a'、1b'和顶骨2a'和2b'，最后将各骨瓣按照已经设计好的拼接结构拼接在一起完成了颅顶的重建。

实施例三

结合斜头患者病例，进一步说明本发明：

图14所描述的是通过调整斜头患者部分自身的骨瓣来达到整形的目的。14A所显示的颅顶16的形态不佳，前额额骨1不饱满，对病人的CT数据进行重建。图14B所示的是经过模拟术后的形状得出可以通过调整颅顶自身的骨瓣位置达到整形的目的，将骨瓣26与骨瓣27所在位置的原骨瓣进行互换调整到图14B所示的位置，并重建了冠状缝5。通过提取出骨瓣26和骨瓣27的外表面生成导向模板，并用激光烧结的技术加工出导向模板，图14C所显示的是医生在手术过程中将导向模板26-g覆盖在额骨1上切割出骨瓣26。利用其他导向模板完成所有骨瓣的切割就可以得到图14B所示的手术结果。

实施例四

结合小头病例进一步说明本发明：

通过导向模板实现了对颅顶的重建及重要位置的保护。图15A所显示的是因为冠状缝5及矢状缝6过早闭合而引起的小头病例。图15B利用数字化的方法对手术方案进行模拟设计，重建冠状缝5，为了保证术后颅顶16能在脑压的作用下扩张，需要降低骨瓣的刚性，对骨瓣必须进行切割设计，为了避免损伤窦汇29在对顶骨28进行切割设计的时候为窦汇29留出了足够的安全空间。图15C显示了医生将导向模板28-g放置在顶骨28之上，沿着导向模板进行颅骨切割时就可以对窦汇29起到有效的保护。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板，包括切割导向模板和拼接导向模板，切割导向模板包括内表面与颅顶完全贴合的切割导板本体，切割导板本体的边缘轮廓线表征手术时的切割路径；

拼接导向模板包括内表面与颅顶完全贴合的拼接导板本体，拼接导板本体的外缘具有与相邻的拼接导向模板或颅底拼接的榫槽连接结构；所有的拼接导向模板连接形成手术后的颅顶形状。

2.如权利要求1所述的用于颅顶重建外科手术的颅骨导向模板，其特征在于：所述的榫槽连接结构包括燕尾形的榫头和燕尾形的榫槽；榫头和榫槽的过渡线均采用圆弧过渡线。

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