CN103690278B - 基于3d打印技术的个性化仿生脊椎系统的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种全脊椎体切除术后，脊柱稳定性的重建的技术方法，本发明对个性化脊椎进行CT机扫描、数据采集，将CT扫描断层数据以Dicom格式输出，经3D计算建立脊椎柱三维模型,以STL格式输出到3D打印机，用熔点1668±4℃的钛金属打印材料，塑形成蜂窝状多孔的仿生脊椎，所述仿生脊椎蜂窝状的空隙大小为100um。本发明与现技术相比，在术中直接利用术前已制备好的个性化椎体替代病椎，从而大大的缩短手术时间，减少术中出血、降低术中各种并发症的发生率。

Description

基于3D打印技术的个性化仿生脊椎系统的制备方法

技术领域

本发明涉及了一种全脊椎体切除术后，脊柱稳定性的重建的技术方法，特别适用于应用CT三维重建、计算机辅助设计与制造技术（CAD/CAM）和3D打印等数字技术的脊椎柱3D仿生打印方法。

背景技术

脊柱结核、肿瘤、囊肿、创伤常引起脊柱椎体的严重破坏，临床上患者常表现为病变部位难治性的疼痛，严重者甚至出现骨折、截瘫的可能。通过全椎体切除术是去除病椎、缓解疼痛、进行脊髓减压，是目前治疗脊柱椎体严重破坏的主要方式。全椎体切除后椎体稳定性的重建也是一个非常关键的问题。长期以来人工椎体、钛网、自体骨、异体骨、骨水泥联合前路钢板和（或）后路椎弓根系统是重建脊柱稳定性的主要方式。无论采取何种方式替代病变的椎体，传统的术式都需对病灶进行彻底的清创并选择适合患者个体的替代物，这一过程延长了手术时间，增加了术中的出血量，加大了术中感染的可能，对年老患者尚有引发心肺肝肾的基础疾病威胁生命的可能。同时全椎体切除术及椎体重建需要8-15万不等高昂的医疗费用。大量的统计资料显示，脊柱肿瘤占全身骨肿瘤发病率的8%，脊柱结核占骨结核发病率的50%，创伤所致的脊柱骨折占骨折的5%-6%，在我国每年都有大量的病人因椎体的破坏需要进行全椎体的置换，对患者及整个社会都是沉重的经济负担。长期以来，椎体间替代物概括起来主要有三种：填充型（骨水泥）、支撑型（钛网）及支撑固定性（人工椎体），大量的临床资料显示采取以上替代物重建脊柱的稳定性都是行之有效的办法^[6-10]。然而无论采取何种替代物，由于缺乏符合患者个性化的替代椎，都需要外科医生在术中对病变节段进行测量从而设计出符合患者个体化的替代椎，这大大的增加了手术的难度，增加了手术的时间、术中出血量甚至各种并发症的发生率。同时，钛网和人工椎体还必须依赖于工厂的批量生产，具有时间性和空间性的限制。临床上迫切需求一种符合患者个性化的椎体能协助外科医师快速、安全、准确而又行之有效解决问题。

本发明的目的就是利用CT三维重建、计算机辅助设计与制造技术（CAD/CAM）和3D打印等数字技术，术前通过对脊柱的三维重建，全面的了解疾病情况，运用计算机辅助技术输出信息，选择适合患者疾病的材料利用3D打印技术快速的打印出符合患者的个性化椎体。

发明内容

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：本发明的基于3D打印技术的个性化仿生脊椎系统的制备方法，其特征在于对个性化脊椎进行CT机扫描、数据采集，将CT扫描断层数据以Dicom格式输出，经3D计算建立脊椎柱三维模型,以STL格式输出到3D打印机，用熔点1668±4℃的钛金属打印材料，塑形成蜂窝状多孔的仿生脊椎，所述仿生脊椎蜂窝状的空隙大小为100um。

本发明所述CT机对患者病变脊椎及邻近节段解剖结构进行连续断层扫描获得其Dicom医学数字图像标准数据。所述CT机扫描参数：扫描层厚为1mm，电压120kV。所述CT扫描机的断层数据以Dicom格式导出，输入Mimics10.01软件，经图像定位，阈值分割，动态分割，每层图像经选择性编辑和漏洞处理，去除冗余数据，平滑处理，最后经3D计算建立包含病脊椎邻近解剖结构的三维模型输出。

本发明所述3D计算采用计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）对病变及邻近节段脊椎进行数据采集与三位重建。

本发明与现技术相比，不仅术前可以帮助医生更好的观察病变部位，制定更为合理的手术方案，帮助缺乏相关医疗知识的患者及家属了解病情获得知情同意，也可以在术中直接利用术前已制备好的个性化椎体替代病椎，从而大大的缩短手术时间，减少术中出血、降低术中各种并发症的发生率。与传统替代椎体依赖工厂批量生产相比，3D打印可以在医院自己的设备中心快速打印，耗时短，打破了时间与空间的限制。同时，医生可根据患者的病情、经济状况选择适合患者个体的材料进行3D打印。总体来说：在现代影像学技术与计算机辅助技术的基础上，利用3D打印制备个性化椎体具有显著的社会和临床效益。

具体实施方式

本发明主要应用应用CT三维重建、计算机辅助设计与制造技术（CAD/CAM）和3D打印等数字技术。其中，3D打印是20世纪80年代后期国际上出现的新技术，是快速成形术的一种，集成计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）、数控技术、激光技术、高分子材料、三维CT技术等领域为一体的现代工业制造技术，主要根据离散/堆积成形原理，在计算机控制下利用零件的CAD模型所确定的几何信息，对层片材料或粉层进行二维扫描和处理，由点到线，由线到面，由面到体，层层堆积可得到一个三维实体（原型）。3D打印这种具有革命性意义的技术，自诞生之日起，在医学领域，特别是硬组织外科领域，受到了高度重视并已应用于临床。

本发明的脊椎柱3D仿生打印方法应用现代影像技术、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）对病变及邻近节段椎体进行数据采集与三位重建，利用当前各种椎间替代物材料、3D打印技术直接快速的制作患者个性化的椎体，为术前进行病例讨论、设计合理的手术方案、医患沟通提供便利，同时提高手术的精确操作。具体的步骤：

1、个性化椎体的CT扫描、数据采集

采用CT机对患者病变椎体及邻近节段解剖结构进行连续断层扫描获得其Dicom医学数字图像标准数据；

扫描参数：扫描层厚为1mm，电压120kV

2、个性化椎体三维重建

将CT扫描断层数据以Dicom格式导出，输入Mimics10.01软件，经图像定位，阈值分割，动态分割，每层图像经选择性编辑和漏洞处理，去除冗余数据，平滑处理，最后经3D计算建立包含病椎邻近解剖结构的三维模型,结果以.STL格式输出；

3、个性化椎体解剖学参数的计算

计算病变椎体的高度、周径、前后缘骨皮质厚度、内部的空隙结构、上下相邻椎体的椎弓根宽度、高度、椎弓根轴线与椎体矢状面、横截面的夹角（椎弓根参数的计算可协助椎体植入后的置钉内固定提供解剖学的帮助）；

4、打印材料的选择

本发明利用钛合金制备脊椎椎体结构。钛合金弹性模量低、强度高、生物相容性好、无毒性。选择性激光熔融技术（3D打印技术的一种）可以对熔点高达1668±4℃的钛金属塑形成多孔“蜂窝状”的人工椎体。钛合金椎体的弹性模量为（3.25±1.08）GPa（人体骨的弹性模量为1-30GPa），低弹性模量保证了钛合金椎体不会在人体内的变形，同时具有足够的强度承受身体的重量.钛合金材料生物相容性高，大量的临床试验及动物实验证明它的无毒性。本发明的钛合金椎体结构采用“蜂窝状”个性化椎体。本发明可以制备成具有多孔“蜂窝状”人工椎体。空隙大小控制在100um，可以保证细胞在椎体内自由生长，促进植骨融合。同时“蜂窝状”人工椎体可以作为一个载体，内部可以放置BMP（骨形态发生蛋白，一种可以诱导骨细胞增殖分化的生物因子）甚至骨粉，不仅起到了承重、连接的作用，同时多孔的结构有利于骨细胞的黏附生长和体内营养物的传输；

5、3D打印个性化椎体

根据CT扫描计算机辅助技术建立的三维模型，利用适合临床的打印材料，3D打印个性化椎体；

6、临床效果分析

利用现代信息技术建立的三维模型和3D打印技术制备的个性化椎体运用于术前的沟通、病例讨论、设计手术方案，术中记录手术时间与出血量、并发症的发生率，术后随访症状改善率与影像学指标，与传统手术组进行比较，相关数据进行统计学分析。

本发明打破了传统的椎体修复手术方式，将3D打印直接制备个性化椎体替代病椎，3D打印个性化椎体的应用将会成为脊柱外科乃至硬组织外科的新革命。与采取传统椎间替代物进行手术相比，选用3D打印技术制备个性椎体具有以下优势：1）生产周期短，从数据采集到产品的产出仅需1-2天时间，能够在最短的时间帮助患者解决病患；2）个性化椎体与被替代椎形状完全一致，有利于保持全身骨骼系统尤其是脊柱的稳定性；3）制造强度完全能够达到应用要求，临床应用前景广泛；4）个性化椎体具有生物相容性，能够诱导周围血管神经等组织生长；5）3D制备过程无需制造磨具，降低了制造成本。

Claims (2)

1.一种基于3D打印技术的个性化仿生脊椎系统的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1）采用CT机对患者病变椎体及邻近节段解剖结构进行连续断层扫描获得其Dicom医学数字图像标准数据，其中扫描层厚为1mm，电压120kV；

步骤2）将CT扫描断层数据以Dicom格式导出，输入Mimics10.01软件，经图像定位，阈值分割，动态分割，每层图像经选择性编辑和漏洞处理，去除冗余数据，平滑处理，最后经3D计算建立包含病椎邻近解剖结构的三维模型，结果以.STL格式输出；

步骤3）计算病变椎体的高度、周径、前后缘骨皮质厚度、内部的空隙结构、上下相邻椎体的椎弓根宽度、高度、椎弓根轴线与椎体矢状面、横截面的夹角；

步骤4）根据CT扫描计算机辅助技术建立的三维模型，以选择性激光熔融技术，对熔点高达1668±4℃的钛金属塑形成多孔“蜂窝状”的人工椎体，其中，钛合金椎体的弹性模量为（3.25±1.08）GPa，所述多孔“蜂窝状”人工椎体，其空隙大小控制在100um。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的个性化仿生脊椎系统的制备方法，其特征在所述3D计算采用计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）对病变及邻近节段脊椎进行数据采集与三位重建。