CN104287815A - 3d打印经皮椎弓根导板及其制备方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印经皮椎弓根导板及其制备方法和使用方法，该导板包括波形面板，能够贴合在人体的脊椎部位；所述面板上设置有两个供椎弓根螺钉穿过的空心入路套筒；所述的入路套筒内部由内至外依次设置有第一层套管、第二层套管和第三层套管。3D打印经皮椎弓根导板的制备包括三维几何模型的建立、椎弓根钉道的确定、导板生成、3D打印和安装套管步骤，本发明的3D打印经皮椎弓根导板结构简单，制备方便；导板制备过程预先根据体表标志在设计导板上进行加工，以锁定体表定位，保证入路套管与椎弓根钉道同轴设置，防止移位，保证穿刺、置钉方向精准；使用本发明的导板，置入深度精准，无需反复透视，提高了手术的精确性，缩短了手术时间。

Description

3D打印经皮椎弓根导板及其制备方法和使用方法

技术领域

本发明属于医疗技术领域，涉及一种脊柱外科内固定手术装置，具体涉及一种3D打印经皮椎弓根导板，还涉及该导板的制备方法和使用方法。

背景技术

在生物医学领域，现代医学趋向于个体化的治疗策略，随着计算机运算能力的强劲提升，计算机技术与医学的广泛深入的结合，形成了新兴的交叉学科---数字医学，大大的促进了现代临床个体化的诊疗技术的发展。同时，由于3D打印具有个体化的特点，正好与现代医学的诊疗理念相一致，因此，将3D打印技术应用于生物医学领域将是天作之合。目前，人们借助计算机数字化相关技术，对于医学多个学科领域进行图像数据处理后，形成解剖建模和三维重建，显示和定位人体骨骼的解剖结构，并且，在计算机中进行模拟手术操作，设计最佳手术路径，以及合理的个体化手术方案，提高了手术的精确程度，并且，简化了手术操作步骤，缩短了年轻医师的学习曲线。在骨科领域，通过对病人的数字化(CT／MRI)等一系列提供的临床数据，在计算机中建立骨骼的病理模型，并通过全方位的了解骨骼病理改变，同时借助计算机辅助设计出最佳的个体化的治疗方案以及手术导板或者假体，并通过相关软件对设计的合理性进行验证和评估，拓展了手术范围，大大的提高了手术治疗的准确性以及安全性，为数字骨科学的创新和法阵奠定了坚实的基础。同时也为其他各个学科领域的交叉发展和深入提供了参考。也为3D打印在生物医学领域的应用创造的无比宽广的空间。

经皮椎弓根螺钉内固定术是目前最新的脊柱微创手术方法，手术创伤小、恢复快。但是，手术过程中存在的一个问题是椎弓根螺钉置入时有较高的椎弓根穿透概率，据研究报道，椎弓根螺钉穿透概率可达到15%，因此需不断透视以确保置钉时准确的进针角度和深度，由此又带来另外一个问题——大剂量的射线透视。骨科医生的透视问题无需赘言，对患者而言，大剂量的射线投射经常容易引发术后的恶心，呕吐等不良反应。目前已经有较先进的CT引导下椎弓根螺钉置入技术，可以达到较高的螺钉置入准确率，但国内能配备的手术室移动CT非常少见。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种3D打印经皮椎弓根导板，利用该导板引导提高了手术的精确性，缩短了手术时间。 

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为： 一种3D打印经皮椎弓根导板，包括波形面板，该面板为人体脊椎部位的仿形结构，能够贴合在人体的脊椎部位；所述面板上设置有两个供椎弓根螺钉穿过的空心入路套筒；所述的入路套筒内部由内至外依次设置有第一层套管、第二层套管和第三层套管；所述第一层套管的外径等于第二层套管的内径，所述第二层套管的外径等于第三层套管的内径；所述第一层套管、第二层套管和第三层套管的头端均伸出入路套管外，且伸出入路套管外的长度依次递减。

进一步的，所述的第一层套管、第二层套管和第三层套管均为金属套管。

本发明还提供一种3D打印经皮椎弓根导板的制备方法，包括三维几何模型的建立、椎弓根钉道的确定、导板生成、3D打印和安装套管步骤，具体为：

（1）三维几何模型的建立：从工作站获得患者的影像学数据，并以DICOM格式导入到医学建模软件，通过形态学处理，生成可视化的骨骼模型以及皮肤模型，并分别以stl格式导出保存；

（2）椎弓根钉道确定：在医学建模软件中，抽提椎弓根形态，拟合成圆柱体通道，即为最佳钉道，在软件中测量钉道的长度，然后将钉道反向延长穿出皮肤形成体表标志，然后以stl格式导出保存；

（3）导板生成：在3-matic软件中，对骨骼模型以及皮肤模型进行网格优化，抽提皮肤表面网格，反向偏移增厚生成导板面板，保留及标记髂后上棘、棘突的骨性标志，然后与反向钉道进行拟合，生成入路套管，最终得到导板模型；

（4）3D打印：采用常规3D打印方法打印；

（5）安装套管：在导板的入路套管中依次置入第一层套管、第二层套管和第三层套管。

本发明还提供一种3D打印经皮椎弓根导板的使用方法，包括以下步骤：

（1）根据X线片定位要置钉的椎体棘突，做好标记；

（2）制备导板时将定位点在导板上做出相同部位的标记，该标记可固定；

（3）将导板的三层金属套管依次置入导板的入路套筒内，置入入路套筒内的第一层套管的内径等于穿刺针的直径，第二层套管的内径等于开路钻的直径，第三层套管的内径等于椎弓根螺钉钉尾的直径；

（4）设定穿刺针的穿刺深度，在设定的穿刺深度处设置限位环来限定已设定的穿刺深度，将穿刺针经过第一层套管的中心插入，并获得骨性固定；

（5）拔出第一层套管，设定空心开路钻的攻丝深度，在设定的攻丝深度设置限位环来限定已设定的攻丝深度，空心开路钻沿穿刺针插入对椎体骨质进行扩口，用丝锥顺穿刺针方向进行攻丝；

（6）拔出第二层套管，将选好的椎弓根螺钉顺第三层套管置入。

本发明的有益效果：

1、本发明的3D打印经皮椎弓根导板结构简单，制备方便；

2、本发明3D打印经皮椎弓根导板制备过程，预先根据体表标志在设计导板上进行加工，以锁定体表定位，保证入路套管与椎弓根钉道同轴设置，防止移位，保证穿刺、置钉方向精准；

3、使用本发明3D打印经皮椎弓根导板，置入深度精准，无需反复透视，大大提高了手术的精确性，缩短了手术时间；

4、本发明3D打印经皮椎弓根导板采用金属套保护树脂套，避免树脂在克氏针高速旋转下产热导致树脂液化而使导板失效，使得操作过程中出现因为皮肤软组织的移位而使穿刺、置钉不精准。

附图说明

图1为本发明的导板的结构示意图。

图2为本发明的椎体骨骼以及皮肤模型的侧位图。

图3为本发明的椎体骨骼以及皮肤模型的正位图。

图4为本发明的钉道在皮肤以及骨骼中的投影的俯视图。

图5为本发明的钉道在皮肤以及骨骼中的投影的侧位图。

图6为本发明模拟的经皮导板的俯视图。

图7为本发明模拟的经皮导板的正视图。

 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。

如图1所示为本发明一种3D打印经皮椎弓根导板，包括波形面板1，波形面板1为人体脊椎部位的仿形结构，能够贴合在人体的脊椎部位；波形面板1上设置有两个供椎弓根螺钉穿过的空心入路套筒2；入路套筒2内部由内至外依次设置有金属制的第一层套管3、第二层套管4和第三层套管5；第一层套管3的外径等于第二层套管4的内径，第二层套管4的外径等于第三层套管5的内径；第一层套管3、第二层套管4和第三层套管5的头端均伸出入路套管2外，且伸出入路套管2外的长度依次递减。

本发明的3D打印经皮椎弓根导板的制备方法，包括三维几何模型的建立、椎弓根钉道的确定、导板生成、3D打印和安装套管步骤，具体为：

（1）三维几何模型的建立：从工作站获得患者的影像学数据，并以DICOM格式导入到医学建模软件，通过形态学处理，生成可视化的骨骼模型以及皮肤模型，如图2和3所示，并分别以stl格式导出保存；

（2）椎弓根钉道确定：在医学建模软件中，抽提椎弓根形态，拟合成圆柱体通道，即为最佳钉道，在软件中测量钉道的长度，然后将钉道反向延长穿出皮肤形成体表标志，然后以stl格式导出保存，如图4和5所示；

（3）导板生成：在3-matic软件中，对骨骼模型以及皮肤模型进行网格优化，抽提皮肤表面网格，反向偏移增厚生成导板面板，保留及标记髂后上棘、棘突的骨性标志，然后与反向钉道进行拟合，生成入路套管，最终得到导板模型，如图6和7所示；

（4）3D打印：采用常规3D打印方法打印；

（5）安装套管：在导板的入路套管中依次置入第一层套管、第二层套管和第三层套管。

本发明的3D打印经皮椎弓根导板的使用方法，包括以下步骤：

（1）根据X线片定位要置钉的椎体棘突，做好标记；

（2）制备导板时将步骤（1）的定位点在导板上做出相同部位的标记，该标记可固定；

（3）将导板的三层金属套管依次置入导板的入路套筒内，置入入路套筒内的第一层套管的内径等于穿刺针的直径，第二层套管的内径等于开路钻的直径，第三层套管的内径等于椎弓根螺钉钉尾的直径；

（4）设定穿刺针的穿刺深度，在设定的穿刺深度处设置限位环来限定已设定的穿刺深度，将穿刺针经过第一层套管的中心插入，并获得骨性固定；

（5）拔出第一层套管，设定空心开路钻的攻丝深度，在设定的攻丝深度设置限位环来限定已设定的攻丝深度，空心开路钻沿穿刺针插入对椎体骨质进行扩口，用丝锥顺穿刺针方向进行攻丝；

（6）拔出第二层套管，将选好的椎弓根螺钉顺第三层套管置入。

以下为采用本发明的方法进行临床操作的具体实例：

某患者，男性，57岁。因“反复腰臀部疼痛半年”入院，入院查体示：腰椎生理弧度存在，腰4、腰5棘突、棘间压痛，轻度叩击痛，双下肢直腿抬高试验70°阴性，双下肢肌力、感觉正常。查腰椎正侧位片示：腰4椎体向前二度滑脱，查腰椎CT示：腰4椎体向前二度滑脱，椎间盘突出不明显，椎弓根完整。入院诊断为：“腰4椎体滑脱”。拟全麻下行经皮椎弓根螺钉内固定术，术中使用3D打印经皮椎弓根导板。具体步骤如下：

1.预先根据患者X线片定位要置钉的椎体棘突，做好标记。

2.从工作站获得患者的影像学数据，并以DICOM格式导入到医学建模软件，通过一系列的形态学处理，生成可视化的骨骼模型以及皮肤模型，并分别以stl格式导出保存。

3.在医学建模软件中，抽提椎弓根形态，拟合成圆柱体通道，即为最佳钉道，在软件中测量钉道的长度，然后将钉道反向延长穿出皮肤形成体表标志，然后以stl格式导出保存。

4.在3-matic软件中，对骨骼模型以及皮肤模型进行网格优化，抽提皮肤表面网格，反向偏移增厚生成导板，并保留体表标志在导板上，然后与反向钉道进行拟合，生成导板。

5.术中患者取俯卧位，依据体表定位标志放置经皮椎弓根导板，在导板入路套筒中心做1.5cm切口，逐层放置三层套管，在第一层套管中心插入穿刺针达预定深度，并获得骨性固定，拔出第一层套管，不拔出穿刺针，延穿刺针插入空心开路钻对椎体骨质进行扩口，用丝锥顺穿刺针方向进行攻丝达预定深度，拔出第二层套管，不拔出穿刺针，将选好的椎弓根螺钉顺第三层套管置入。用持棒器固定选取的棒，按指定方向慢慢沿连接器往下，直至触及螺钉U槽底部，确认棒位于螺钉U槽底部后，先拧紧棒尖端的螺塞，运用撑开加压器对椎体进行复位，拧紧另外一端的螺塞，锁紧连接棒，逐层缝合，关闭切口。

6.术后一周，患者下床活动，无腰臀部疼痛，复查腰椎正侧位片示：腰4、腰5椎弓根螺钉内固定术后，腰椎序列正常，内固定在位，无松动。

Claims (4)

1.一种3D打印经皮椎弓根导板，其特征在于：包括波形面板，该面板为人体脊椎部位的仿形结构，能够贴合在人体的脊椎部位；所述面板上设置有两个供椎弓根螺钉穿过的空心入路套筒；所述的入路套筒内部由内至外依次设置有第一层套管、第二层套管和第三层套管；所述第一层套管的外径等于第二层套管的内径，所述第二层套管的外径等于第三层套管的内径；所述第一层套管、第二层套管和第三层套管的头端均伸出入路套管外，且伸出入路套管外的长度依次递减。

2. 根据权利要求1所述的一种3D打印经皮椎弓根导板，其特征在于：所述的第一层套管、第二层套管和第三层套管均为金属套管。

3. 根据权利要求1所述的一种3D打印经皮椎弓根导板的制备方法，其特征在于：包括三维几何模型的建立、椎弓根钉道的确定、导板生成、3D打印和安装套管步骤，具体为：

（1）三维几何模型的建立：从工作站获得患者的影像学数据，并以DICOM格式导入到医学建模软件，通过形态学处理，生成可视化的骨骼模型以及皮肤模型，并分别以stl格式导出保存；

（2）椎弓根钉道确定：在医学建模软件中，抽提椎弓根形态，拟合成圆柱体通道，即为最佳钉道，在软件中测量钉道的长度，然后将钉道反向延长穿出皮肤形成体表标志，然后以stl格式导出保存；

（3）导板生成：在3-matic软件中，对骨骼模型以及皮肤模型进行网格优化，抽提皮肤表面网格，反向偏移增厚生成导板面板，保留及标记髂后上棘、棘突的骨性标志，然后与反向钉道进行拟合，生成入路套管，最终得到导板模型；

（4）3D打印：采用常规3D打印方法打印；

（5）安装套管：在导板的入路套管中依次置入第一层套管、第二层套管和第三层套管。

4. 根据权利要求1所述的一种3D打印经皮椎弓根导板的使用方法，其特征在于：所述的使用方法包括以下步骤：

（1）根据X线片定位要置钉的椎体棘突，做好标记；

（2）制备导板时将步骤（1）的定位点在导板上做出相同部位的标记，该标记可固定；

（3）将导板的三层金属套管依次置入导板的入路套筒内，置入入路套筒内的第一层套管的内径等于穿刺针的直径，第二层套管的内径等于开路钻的直径，第三层套管的内径等于椎弓根螺钉钉尾的直径；

（4）设定穿刺针的穿刺深度，在设定的穿刺深度处设置限位环来限定已设定的穿刺深度，将穿刺针经过第一层套管的中心插入，并获得骨性固定；

（5）拔出第一层套管，设定空心开路钻的攻丝深度，在设定的攻丝深度设置限位环来限定已设定的攻丝深度，空心开路钻沿穿刺针插入对椎体骨质进行扩口，用丝锥顺穿刺针方向进行攻丝；

（6）拔出第二层套管，将选好的椎弓根螺钉顺第三层套管置入。