CN103230302A - 髋臼导航模板的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种髋臼导航模板的制作方法，首先，根据骨盆的断层扫描数据构建骨盆的三维模型；然后，提取三维模型中髋臼的表面点云；之后，将表面点云拟合为球心坐标为髋臼旋转中心坐标的最适球体；再利用三角函数关系和髋臼旋转中心坐标计算，得出导航模板中导航管的方向矢量；最后，利用快速成型技术制作出髋臼导航模板的实体。利用本发明所提供的制作方法能够制作出与患者髋臼卵圆窝高度匹配的髋臼导航模板实体。使得医师能够在术前根据患者骨骼的实际条件进行规划和模拟，在术前计划和术中操作之间建立了便捷的联系，为人工髋关节置换术中臼杯假体准确植入提供了新的方法和有效的辅助手段。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，更具体地说，涉及一种髋臼导航模板的制作方法。
背景技术
骨性关节炎（osteoarthritis，OA）是一种常见的骨关节疾病。自20世纪60年代以来，人工全髋关节置换术逐渐成为治疗髋部疾病的标准手术。
研究表明，人工全髋关节置换术中髋关节假体的植入角度必须在安全位置范围以内才可以避免脱位，并增加髋臼假体稳定性，减少骨溶解和聚乙烯内衬材料的磨损。髋关节假体作为关节置换后体重传递的主体部件，理想的髋臼位置应最大限度的与臼壁贴合并具备适当的方位，尽可能的使髋臼恢复生物力学环境。所以，人工全髋关节置换术中的关键是精确地放置髋关节假体，以实现人工全髋关节置换术后生物力学的再复制。
传统方法认为45°～55°的外展角和30°～50°的前倾角对髋关节的活动度和稳定性是最合适的，超过此区域则认为是安放不良，但是上述方法界定的安全范围有20°的极差，具体到某一患者时，受患者髋关节解剖结构多变性影响，会显得精确性不足。在植入假体的过程中，若能够实现个体化的手术，将髋臼假体安放在与其相适应的理想位置，将能够大大减少相关并发症的发生。
再者，传统的人工全髋关节置换术在手术操作时，主要依靠辅助机械系统完成假体安放和方位的控制，其精确性在很大程度上依赖于术者的经验，而且所用导引工具针对的是形态正常的骨骼，而患者骨骼的多变性常导致假体位置判断失误，或给使用机械定位装置带来困难。
由以上所述，如何提供一种辅助模型，使术者能够在术前根据患者骨骼的实际情况进行术前规划和模拟，在术前计划和术中操作之间建立更便捷的联系，以解决因患者骨骼的多变性而导致的假体植入困难的问题，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种髋臼导航模板的制作方法，用于制作辅助模型以便于术者根据患者骨骼的实际情况进行术前规划和模拟，解决因患者骨骼的多变性而导致的假体植入困难的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种髋臼导航模板的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1）基于骨盆的断层扫描数据构建骨盆的三维模型；
步骤S2）提取骨盆三维模型中髋臼表面点云；
步骤S3）将表面点云拟合成最适球体，最适球体的球心坐标为髋臼旋转中心坐标；
步骤S4）利用三角函数关和髋臼旋转中心坐标计算得出髋臼导航模板的导航管的方向矢量；
步骤S5）通过快速成形技术制作出髋臼导航模板的实体。
优选地，在上述的制作方法中，在步骤S1）中对断层扫描数据进行读取分析，然后依次进行分割、编辑填充、去除冗余数据后，重建出三维模型。
优选地，在上述的制作方法中，在步骤S4）和步骤S5）之间还包括步骤S4`）建立多个方向矢量与导航管相同的辅导航管。
优选地，在上述的制作方法中，在步骤S4`）建立了两个的辅导航管。
优选地，在上述的制作方法中，快速成形技术具体为熔融沉积成形、选择性激光烧结或三维打印技术。
本发明提供了一种髋臼导航模板的制作方法，首先，根据骨盆的断层扫描数据构建骨盆的三维模型；然后，提取三维模型中髋臼的表面点云；之后将表面点云拟合为球心坐标为髋臼旋转中心坐标的最适球体；再利用三角函数关系和髋臼旋转中心坐标计算，得出导航模板中导航管的方向矢量；最后，利用快速成型技术制作出髋臼导航模板的实体。
利用本发明所提供的制作方法能够制作出与患者骨骼高度匹配的髋臼导航模板实体。使得医师能够在术前根据患者骨骼的实际条件进行规划和模拟，在术前计划和术中操作之间建立了便捷的联系，为人工髋关节置换术中臼杯假体准确植入提供了新的方法和有效的辅助手段，解决了因患者骨骼的多变性而导致的假体植入困难的问题。
附图说明
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为骨盆的三维模型的示意图；
图2为获得的髋臼表面点云的示意图；
图3为由表面点云获得最适球体的示意图；
图4为计算导航模板导航管的方向矢量的示意图；
图5为髋臼虚拟导航模板的示意图；
图6为设置有两个辅导航管的髋臼导航模板实体的示意图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种髋臼导航模板的制作方法，解决因患者骨骼的多变性而导致的假体植入困难的问题。
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。
请参考图1-5，本发明所提供的髋臼导航模板的制作方法具体包括以下的步骤：
步骤S01）通过对骨盆断层扫描数据的处理，构建出骨盆的三维模型，如图1所示；
步骤S02）从骨盆三维模型中提取出髋臼表面部分的坐标数据，由于模型中的曲面是由大量的点组成的，在此获得了如图2所示的表面点云；
步骤S03）通过对表面点云进行拟合处理，使其成为球面的一部分，如图3，该球面即为最适球体的表面，而最适球体的球心坐标则与髋臼旋转中心坐标相同；
步骤S04）请参考图4，通过三角函数关系和上述的髋臼旋转中心坐标进行计算，得出髋臼导航模板的导航管的方向矢量；
步骤S05）利用快速成型技术制作出如图5的髋臼导航模板实体。
利用本实施例所提供的制作方法，能够制作出与患者骨骼高度匹配的髋臼导航模板实体。使得医师能够在术前根据患者骨骼的实际条件进行规划和模拟，在术前计划和术中操作之间建立了便捷的联系，为人工髋关节置换术中臼杯假体准确植入提供了新的方法和有效的辅助手段，解决了因患者骨骼的多变性而导致的假体植入困难的问题。
具体的，在上述实施例所提供的制作方法中，利用三角函数关系以及髋臼旋转中心坐标计算方向矢量的方法如下。
以髋臼关节旋转中心为O1，以髋臼的半径r在骨盆水平面上的投影为基础，将O1经过三部平移，并通过三角函数计算出位于髋臼关节旋转轴线上的另一点O2的坐标。设定髋臼的前倾角为α、外展角为β、髋中心外展距离L1、前倾距离L2、向下平移L3，则有L1=r，L2=r·tgα/sinβ，L3=r/tgβ。由于O2位于髋臼关节旋转轴线上，并具有唯一性，因此，以O1O2连线为轴建立的髋臼旋转轴的方向，就是导航管的方向。
在上述实施例所提供的制作方法中，具体的，在步骤S01）中对断层扫描数据进行读取分析，然后依次进行分割、编辑填充、去除冗余数据后，重建出上述的三维模型。
进一步的，为了使制的导航模板具有更好的稳定性，在上述实施例所提供的制作方法的基础上，还包括建立辅导航管这一步骤。
在上述的步骤S04）和步骤S05）之间，增加一步骤，建立多个方向矢量与上述导航管相同的辅导航管。通过多根互相平行导航管，增加了导航模板的固定点，从而使连接更加稳定。
优选地，在上述实施例所提供的制作方法中，建立了两个辅导航管，如图6所示。三根相互平行的导航管确定了稳定的三角关系，具有良好的导向性和稳定性。
具体的，在上述实施例所提供的制作方法中，快速成形技术具体为熔融沉积成形、选择性激光烧结或三维打印技术。
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。
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。
Claims (5)
1.一种髋臼导航模板的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1）基于骨盆的断层扫描数据构建所述骨盆的三维模型；
步骤S2）提取所述骨盆三维模型中髋臼表面点云；
步骤S3）将所述表面点云拟合成最适球体，所述最适球体的球心坐标为髋臼旋转中心坐标；
步骤S4）利用三角函数关和所述髋臼旋转中心坐标计算得出所述髋臼导航模板的导航管的方向矢量；
步骤S5）通过快速成形技术制作出所述髋臼导航模板的实体。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S1）中对所述断层扫描数据进行读取分析，然后依次进行分割、编辑填充、去除冗余数据后，重建出所述三维模型。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S4）和步骤S5）之间还包括步骤S4`）建立多个方向矢量与所述导航管相同的辅导航管。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S4`）建立了两个所述的辅导航管。
5.根据权利要求1-4中所述的制作方法，其特征在于，所述快速成形技术具体为熔融沉积成形、选择性激光烧结或三维打印技术。
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