CN104546060A - 一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板及制作方法，其中方法包括以下步骤：S1、基于患者膝关节的医学影像数据建立三维数字化的髌骨模型；S2、采用最小二乘法拟合特征平面，并建立基于该特征平面的模型坐标系；S3、对髌骨模型进行三维形态分析，建立与髌骨模型的嵴位置相对应的定位杆，以及与所需的髌骨截骨面位置相对应的截骨槽；S4、采集髌骨模型的关节面表面形态，逆向设计内表面与髌骨的部分关节面表面完全贴合的基板；S5、将定位杆、截骨槽与基板进行缝合，建立髌骨截骨导航模板；S6、利用快速成型技术制作出实体的髌骨截骨导航模板。发明可以精确控制截骨深度，准确定位截骨位置，获得理想的对称性截骨面。

Description

一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板及制作方法

技术领域

本发明涉及手术用导航模板制作技术，更具体地说，涉及一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板及制作方法。

背景技术

随着人口老龄化及运动性损伤的增加，膝关节骨性关节炎的发病率越来越高，对于终末期的骨性关节炎，目前临床上有效的治疗方法为膝关节置换术。无论是髌股关节置换还是全膝关节置换均涉及到髌骨的处理，在进行髌骨置换时，精确地进行髌骨切骨面的选择，保留合适的髌骨厚度，选择恰当的髌骨假体，是手术成功的关键，也是患者术后获得满意疗效的保障。

髌骨解剖结构为不规则形，在全膝置换中如何进行准确、对称性的进行髌骨截骨仍然是一难点。临床医师术中采用“徒手法”或厂商配置的髌骨“截骨器”来进行截骨，不对称截骨的发生率约10％，同时髌骨截除过多或过少的情况时有发生，导致术后伸膝力量减弱、髌骨不稳、髌骨骨折或者屈伸活动受限、聚乙烯过度磨损等问题。否则，术后发生髌骨轨迹异常、髌骨假体松动、假体失败、膝前痛等风险也会成倍增加。迄今，临床上仍缺乏可靠的髌骨截骨工具，尽管有学者发明了计算机导航手术系统，通过光学定位装置来辅助进行髌骨截骨。然而，该系统代价高，手术时间长，临床推广困难。

得益于计算机及数字技术的快速发展，目前3D打印技术正在国内外掀起新一轮研究热潮。其在航空航天、医疗、教育、建筑、艺术等领域得到了广泛应用，改变了传统的产品设计制造模式。国内多位学者已将该技术应用于骨科领域，例如脊柱椎弓根螺钉植入导航模板的制作方法，以及用于膝关节置换的股骨及胫骨导航模板制作方法，然而由于人体骨骼形态的特殊性及外科手术的复杂性，上述导航模板及制作方法也仅适用于具体部位的特定手术，没有通用性。尤其是髌骨的不规则形状，增大了导航模板设计的难度。因此亟待开发一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板及制作方法，以解决现有技术中外科医生在进行髌骨置换时，无法精确控制截骨深度并获得理想的对称性截骨面的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有的导航模板不适用于髌骨截骨手术的问题，提供一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板及制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法，包括以下步骤：

S1、基于患者膝关节的医学影像数据建立三维数字化的髌骨模型；

S2、将所述髌骨模型导入逆向工程软件，采用最小二乘法拟合特征平面，并建立基于该特征平面的模型坐标系；

S3、通过正向工程软件对所述髌骨模型进行三维形态分析，建立与髌骨模型的嵴位置相对应的定位杆，以及与所需的髌骨截骨面位置相对应的截骨槽；

S4、采集髌骨模型的关节面表面形态，利用提取功能，逆向设计内表面与髌骨的部分关节面表面完全贴合的基板；

S5、将所述定位杆、截骨槽与基板进行缝合，建立髌骨截骨导航模板；

S6、利用快速成型技术制作出实体的髌骨截骨导航模板。

在根据本发明所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法中，所述步骤S1具体为：通过解剖工程重建软件导入以DICOM格式保存的患者膝关节CT或MRI断层扫描图像，根据骨与软组织具有不同灰度值的特征，进行图像分割和修补，计算获得三维数字化的髌骨模型，并保存为STL格式。

在根据本发明所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法中，所述步骤S2具体为：通过逆向工程软件导入所述髌模型，采用选择工具选择髌骨前皮质表面，根据最小二乘法原理拟合出特征平面，采用软件对齐功能将该特征平面与模型坐标系的XY平面对齐，以STL格式导出该调整后的髌骨模型。

在根据本发明所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法中，所述步骤S3具体为：将以STL格式保存的髌骨模型导入正向工程软件Mimics软件的3-matic模块，进行三维形态分析，在髌骨模型的嵴位置建立虚拟的用于安装固定钉的定位杆，并在所需的髌骨截骨面位置建立平行于模型坐标系XY平面的虚拟截骨槽。

在根据本发明所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法中，所述步骤S4具体为：采用3-matic模块的提取功能，选取部分髌骨关节面表面，提取所选择的曲面片作为基板，并进行实体化加厚。

在根据本发明所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法中，所述步骤S5具体为：将所建立的定位杆、截骨槽与基板通过软件的布尔运算功能进行缝合，得到虚拟的髌骨截骨导航模板，以STL格式输出。

在根据本发明所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法中，所述步骤S6进一步包括：采用选择性激光烧结方法打印出实体的髌骨截骨导航模板以及髌骨模型，进行截骨验证。

本发明还提供了一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板，其采用如上所述的制作方法获得。

本发明还提供了另一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板，包括：定位杆、截骨槽以及连接两者的基板；其中，所述基板的内表面与髌骨的部分关节面表面完全贴合；所述定位杆与髌骨的嵴位置相对应，用于安装固定钉；所述截骨槽与所需的髌骨截骨面位置相对应，用于定位截骨面。

在根据本发明所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板中，所述定位杆为两个及以上；且所述基板中部设有观察孔。

实施本发明的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板及制作方法，具有以下有益效果：本发明针对髌骨截骨手术的特点，利用医学影像数据重建三维模型，并设计与髌骨特征相对应的定位杆、截骨槽与基板，通过快速成型技术制作出髌骨截骨导航模板，可以精确地控制截骨深度，并准确地定位截骨位置，能够获得理想的对称性截骨面。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为根据本发明优选实施例的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法的流程图；

图2为根据本发明建立的三维数字化的髌骨模型示意图；

图3为根据本发明的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板的示意图；

图4为根据本发明制作的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板的使用状态图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法的流程图。如图1所述，本发明提供的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法包括以下步骤：

首先，在步骤S1中，基于患者膝关节的医学影像数据建立三维数字化的髌骨模型。

具体地，本发明需要预先获取患者膝关节CT或MRI断层扫描图像。随后，通过解剖工程重建软件导入该CT或MRI断层扫描图像，根据骨与软组织具有不同灰度值的特征，进行图像分割和修补，计算获得三维数字化的髌骨模型，并存储备用。如图2所示，为根据本发明建立的三维数字化的髌骨模型示意图。在本发明中该三维数字化的髌骨模型又简称为髌骨模型，其上部分表面为髌骨关节面表面，下部分表面为髌骨前皮质表面。本发明中所采用的解剖工程重建软件可以为Mimics 17.0或者其它同类型软件。在本发明的一个优选实施例中，基于Mimics 17.0实现该步骤，因此预先将获取的患者膝关节CT或MRI断层扫描图像以DICOM格式保存，随后将其导入医学影像软件Mimics 17.0中，进行三维重建后获得三维数字化的髌骨模型，以STL格式存储备用。

随后，在步骤S2中，将所述髌骨模型导入逆向工程软件，采用最小二乘法拟合特征平面，并建立基于该特征平面的模型坐标系。

本发明中所采用的逆向工程软件可以为Geomagic Studio 2014或者其它同类型软件。具体地，通过逆向工程软件Geomagic Studio 2014导入以STL格式保存的髌骨模型，并采用选择工具选择髌骨前皮质表面，根据最小二乘法原理拟合出特征平面，采用软件对齐功能将该特征平面与模型坐标系的XY平面对齐，进而为髌骨模型建立基于该特征平面的模型坐标系，随后以STL格式导出该调整后的髌骨模型。

随后，在步骤S3中，通过正向工程软件对所述髌骨模型进行三维形态分析，建立与髌骨的嵴位置相对应的定位杆，以及与所需的髌骨截骨面位置相对应的截骨槽。

本发明中所采用的正向工程软件可以为Mimics或者其它同类型软件。具体地，将以STL格式保存的髌骨模型导入正向工程软件Mimics软件的3-matic模块，进行三维形态分析，分别建立截骨槽及定位杆。请参阅图3，为根据本发明的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板的示意图。首先，在髌骨模型的嵴位置建立虚拟的定位杆11，用于在手术中安装固定钉，从而将该髌骨截骨导航模板1固定在髌骨2上。该定位杆11中具有定位孔，优选地定位孔的延伸方向垂直于髌骨模型坐标系的XY平面。由于步骤S2中将拟合出的特征平面与模型坐标系的XY平面对齐，因此该定位孔的延伸方向也就垂直于拟合出的特征平面。在本发明的一个优选实施例中，可以沿嵴的延伸方向，设立两个或两个以上的定位杆11。随后，建立虚拟的截骨槽12，该截骨槽12的截骨通道平行于模型坐标系的XY平面，即平行于步骤S2拟合出的特征平面。并且截骨槽12的截骨通道位于所需的髌骨截骨面位置，使其截骨通道距离髌骨嵴位置的垂直距离等于需要截除的髌骨厚度。在本发明的一些实施例中，可以由用户根据外科手术原则，即最终保留髌骨理想厚度需12～15mm，参考髌骨的总厚度及髌骨外侧关节面的位置设定需要截除的髌骨厚度的值，例如在一个实施例中，髌骨的总厚度为22.5mm，则设定截除髌骨厚度为7.5mm，剩余髌骨厚度为15mm。在本发明的另一些实施例中，也可以对该髌骨模型的三维数据进行测量，包括但不限于髌骨宽度、长度、厚度，髌骨关节面宽度、长度及中央嵴位置等三维参数。然后根据这些三维数据通过计算机虚拟截骨等手段计算需要截除的髌骨厚度的值。

随后，在步骤S4中，采集髌骨的关节面表面形态，利用提取功能，逆向设计内表面与髌骨的部分关节面表面完全贴合的基板13。

具体地，可以利用正向工程软件Mimics软件的3-matic模块的提取功能，选取部分髌骨关节面表面，提取所选择的曲面片作为基板13，并进行实体化加厚。如图3中，选取了合适的髌骨关节面表面，逆向设计出了内表面与髌骨的部分关节面表面完全贴合的基板13。优选地，可以在基板13的中部设置观察孔131，在手术过程中医师可以通过该观察孔131观察髌骨位置，也便于用手握住该髌骨截骨导航模板1进行定位。

随后，在步骤S5中，将步骤S3和S4中虚拟的定位杆、截骨槽与基板进行缝合，建立虚拟的髌骨截骨导航模板1。

具体地，在正向工程软件Mimics软件的3-matic模块中，选择将所建立的定位杆11、截骨槽12与基板13通过软件的布尔运算功能进行缝合。优选地，还可以随后设定好髌骨截骨导航模板1置入时的方向，使用软件的底切(undercut)功能，去除阻挡导板置入的基板结构，得到虚拟的髌骨截骨导航模板1，完成设计，并以STL格式输出。

最后，在步骤S6中，利用快速成型技术制作出实体的髌骨截骨导航模板1。

本发明可以采用选择性激光烧结方法(SLS)或者其它快速成型技术来制作实体。在本发明的实施例中，可以将步骤S5中以STL格式保存的髌骨截骨导航模板的数据导入到选择性激光烧结的3D打印机中，打印出实体的髌骨截骨导航模板1。优选地，还可以基于步骤S2保存到STL格式的髌骨模型数据，打印出实体的髌骨模型。该实体的髌骨截骨导航模板1以及髌骨模型可以采用尼龙(Nylon)原料制作。该实体的髌骨截骨导航模板1可以直接使用，也可以对髌骨模型2进行截骨验证后再使用。

如图3中所示，本发明也相应提供了一种膝关节置换的髌骨截骨导航模板，其可以采用如前所述的制作方法获得，也可以采用其他制作流程和工艺得到。该髌骨截骨导航模板1至少包括：定位杆11、截骨槽12以及连接两者的基板13。

其中，基板13的内表面与需要截骨的髌骨的部分关节面表面完全贴合。优选地，可以在基板13的中部设置观察孔131，在手术过程中医师可以通过该观察孔131观察髌骨位置，也便于用手握住该髌骨截骨导航模板1进行定位。

定位杆11位于基板13的上部，与髌骨的嵴位置相对应，即在将基板13与髌骨的关节面表面贴合后，定位杆11位于髌骨2的嵴的位置。定位杆11中具有定位孔，可用于安装固定钉，进而将该髌骨截骨导航模板1固定在髌骨2上。优选地，定位孔的延伸方向垂直于髌骨截骨面，即截骨槽12的截骨通道所在平面。在本发明的一个优选实施例中，还可以设置两个或两个以上的定位杆11。并且，当设置两个或两个以上的定位杆11时，这些定位杆11优选沿嵴的延伸方向排列，以实现更好地定位。

截骨槽12位于基板13的下部，与所需的髌骨截骨面位置相对应，即在将基板13与髌骨的关节面表面贴合后，截骨槽12位于所需的髌骨截骨面位置。该截骨槽12具有截骨通道，通过对截骨工具例如电动摆锯进行限位来定位截骨面。优选地，本发明中可以选择髌骨前皮质表面，通过最小二乘法拟合出特征平面，再根据该特征平面确定所需的髌骨截骨面位置。本发明的一个独特之处在于，将该截骨槽12的截骨通道所在平面即所需的髌骨截骨面设置为平行于根据髌骨前皮质表面拟合的特征平面。而截骨通道所在平面距离髌骨嵴位置即定位杆底端的垂直距离等于需要截除的髌骨厚度。在本发明的一些实施例中，可以由用户根据外科手术原则，即最终保留髌骨理想厚度需12～15mm，参考髌骨的总厚度及髌骨外侧关节面的位置设定需要截除的髌骨厚度的值，例如在一个实施例中髌骨的总厚度为22.5mm，则设定截除髌骨厚度为7.5mm，剩余髌骨厚度为15mm。在本发明的另一些实施例中，系统也可以自动对该髌骨模型的三维数据进行测量，包括但不限于髌骨宽度、长度、厚度，髌骨关节面宽度、长度及中央嵴位置等三维参数。然后根据这些三维数据通过虚拟截骨等手段计算需要截除的髌骨厚度的值。

请参阅图4，为根据本发明制作的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板的使用状态图。如图4所示，本发明制作的髌骨截骨导航模板1首先通过基板13与髌骨的关节面表面进行贴合，在确定了安装位置后，将固定钉穿过定位杆11固定在髌骨上。本实施例中设置了两个定位杆11，因此可以很好地将髌骨截骨导航模板1固定在髌骨2上，使两者相对位置不变。随后，可以使用电动摆锯沿截骨槽13的截骨通道对髌骨2进行截骨，保留髌骨下部的前皮质部分即可。

本发明提供的髌骨截骨导航模板及制作方法具有以下特点：

1、本发明提供了一种膝关节置换时髌骨截骨的个性化导航模板制作方法，通过该方法可以快速、方便的制造出髌骨截骨导航模板。

2、采用本发明的髌骨截骨导航模板进行截骨，可以在术前进行手术规划，实现了真正“私人定制”手术。

3、通过本发明的髌骨截骨导航模板进行截骨，在简化手术的同时，可以通过基座12和定位杆11定位在髌骨2上，并通过截骨槽13确定截骨面位置，实现了外科技术上要求的截骨面平行于“前皮质表面”，同时可以定量控制截骨深度，实现了手术的可控制性及精确性。

4、本发明可以缩短外科医生的学习曲线，使年轻医生也能利用本发明提供髌骨截骨导航模板快速掌握技术、实施手术。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。例如，本发明中所采用的软件也可以使用类似功能的软件代替，模型标本制造也可通过其他增材制造方法制造。在本发明制作方法中利用类似流程设计、制造的导板均属本发明保护的范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (10)

1.一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于患者膝关节的医学影像数据建立三维数字化的髌骨模型；

S2、将所述髌骨模型导入逆向工程软件，采用最小二乘法拟合特征平面，并建立基于该特征平面的模型坐标系；

S3、通过正向工程软件对所述髌骨模型进行三维形态分析，建立与髌骨模型的嵴位置相对应的定位杆，以及与所需的髌骨截骨面位置相对应的截骨槽；

S4、采集髌骨模型的关节面表面形态，利用提取功能，逆向设计内表面与髌骨的部分关节面表面完全贴合的基板；

S5、将所述定位杆、截骨槽与基板进行缝合，建立虚拟的髌骨截骨导航模板；

S6、利用快速成型技术制作出实体的髌骨截骨导航模板。

2.根据权利要求1所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：通过解剖工程重建软件导入以DICOM格式保存的患者膝关节CT或MRI断层扫描图像，根据骨与软组织具有不同灰度值的特征，进行图像分割和修补，计算获得三维数字化的髌骨模型，并保存为STL格式。

3.根据权利要求1所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：通过逆向工程软件导入所述髌模型，采用选择工具选择髌骨前皮质表面，根据最小二乘法原理拟合出特征平面，采用软件对齐功能将该特征平面与模型坐标系的XY平面对齐，以STL格式导出该调整后的髌骨模型。

4.根据权利要求3所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：将以STL格式保存的髌骨模型导入正向工程软件Mimics软件的3-matic模块，进行三维形态分析，在髌骨模型的嵴位置建立虚拟的用于安装固定钉的定位杆，并在所需的髌骨截骨面位置建立平行于模型坐标系XY平面的虚拟截骨槽。

5.根据权利要求4所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：采用3-matic模块的提取功能，选取部分髌骨关节面表面，提取所选择的曲面片作为基板，并进行实体化加厚。

6.根据权利要求5用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：将所建立的定位杆、截骨槽与基板通过软件的布尔运算功能进行缝合，得到虚拟的髌骨截骨导航模板，以STL格式输出。

7.根据权利要求6用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板制作方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括：采用选择性激光烧结方法打印出实体的髌骨截骨导航模板以及髌骨模型，进行截骨验证。

8.一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板，其特征在于，采用权利要求1-7中任意一项的制作方法获得。

9.一种用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板，其特征在于，包括：定位杆、截骨槽以及连接两者的基板；其中，所述基板的内表面与髌骨的部分关节面表面完全贴合；所述定位杆与髌骨的嵴位置相对应，用于安装固定钉；所述截骨槽与所需的髌骨截骨面位置相对应，用于定位截骨面。

10.根据权利要求9所述的用于膝关节置换的髌骨截骨导航模板，其特征在于，所述定位杆为两个及以上；且所述基板中部设有观察孔。