CN105105833A - 腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器及其制备方法，包括患者CT扫描影片、骨骼重建装置、导向器构建装置、3D打印机，所述骨骼重建装置的输入端设置有CT扫描影片读取端口，所述患者CT扫描影片设置在CT扫描影片读取端口内，骨骼重建装置内设置有CT扫描影片数据分析模块，所述CT扫描影片数据分析模块输出端连接所述导向器构建装置的输入端，所述导向器构建装置的输出端连接所述3D打印机的输入端。本发明设计的数字可视化骨肿瘤病灶导向器3D打印工作平台，临床医生直接利用这一工作平台，输入手术患者的CT数据资料，就可以设计制备出导向器，大幅度提高手术精确性并降低手术风。

Description

腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器制备装置及方法

技术领域

本发明属于生物与新医药技术，具体涉及一种腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器制备装置及方法。

背景技术

对于骨肿瘤手术而言，因患者肿瘤生长部位、类型、大小不同，手术方式差异性很大，再加之患者间年龄、体型、体质等差异，十分有必要为患者进行一对一的个体化手术设计。现代计算机技术为手术前设计提供良好的工作平台，能够让骨科医生很容易的进行数字化的、精准的手术设计，但将术前设计准确的还原应用于实际手术却是一个难题。随着3D打印技术的推广使用，基于3D打印技术的手术导向器设计、制作工艺孕育而生。手术方案设计是结果，而导向器则是达到这种结果的方式，因此，导板是手术设计的逆向工程产物。在手术设计的同时，即可在设计方案的基础上完成导板的设计，生成文件用于3D打印加工。加工好的导板能够在手术过程中还原手术设计方案，引导手术者顺利的按照手术前的设计进行手术操作。

数字化的手术辅助定位系统，可以帮助医生将手术前的设计方案完整、准确的导入到手术中。目前较为流行的手术定位系统有：术中计算机辅助导航、术中导向器等，前者定位精确，术中操作灵活性强，具有很强的应变性，术中可以给与实时的图像支持，切除后可验证范围;但其硬件投资较大，操作学习曲线长，术中定位装置的安装会照成二次损伤。术中导向器将手术前的设计方案带入手术中，辅助医生按照设计完成手术操作。轻松简单的标记肿瘤范围、确定截骨角度、引导内固定安装等等，设计原理就是设计出一组曲面，使得这个曲面能够很好的贴附于手术中显露出的骨面，贴附应具有位置唯一性，固定好的导板应不易移动位置，同时导板上还带有引导细克氏针的孔洞，通过引导，将克氏针固定于骨组织，去除导板后，可使用磨钻或摆锯进行截骨，范围较小的良性病变也可定位后直接使用刮勺刮除。

3D打印通常可为导向器设计后形成实物并提供临床使用提供有效解决方案，具有精准度高，操作简便，造价低廉的特点。但是，利用3D打印技术打印导向器目前存在一些难以克服的技术瓶颈：

1）目前国内外尚无针对骨性特征曲面提取的专业软件，完全依赖手工绘制提取；且该方法主要应用于工业部件曲面提取，因工业部件曲面通常有限，故手工提取工作量相对较小。在对骨肿瘤模型的点云数据形成蒙皮并网格化后存在数量巨大的三角面片，需要工科专业技术人员花费大量的时间进行手动的三角面片破洞的修补，修补后根据获得目标曲面一一进行手工绘制构成实体，从而得到特征曲面体，绘制过程繁琐且精准度受人为因素影响较大。寰枢椎曲面更为复杂，即使简化后仍然有7-8万个曲面，手工提取及绘制工作量极其巨大；即使是熟练的专业计算机技术人员，也要耗费数百小时，不仅人工成本巨大，而且加上导向器的后期制作时间，患者往往会错过最佳手术时机。

2）目前3D打印技术利用快速成型技术制作导向器是基于SLA技术（立体光固化成型法），用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面，这样层层叠加构成一个三维实体。但存在以下缺点：①在患者层面，树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变，因此制作出的导向器精确度低。由于导向器精度导致的置钉误差，有可能使患者出现动脉损伤；②在医院层面，SLA系统造价高昂，其使用和维护成本过高，国内大多数医院无法获得如此高昂价格的工业级制造设备，即使购进设备，维护设备的人力及经济成本也颇高，因此无法在国内医院推广；③在医生层面，SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻，成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存，因此在导向器的制备过程中医生面临的巨大的挑战。④在工程技术层面，预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高，软件系统操作复杂，导向器实体制备需要专人操作并维护，其学科交叉的特殊属性使计算机设计工程人员需要与骨科医生进行反复讨论设计，耗费大量时间。上述各个层面的不足，决定了该技术目前无法广泛地在临床上进行推广应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术中存在的问题，而提供一种使临床医生直接利用这一工作平台，输入手术患者的CT数据资料，就可以设计制备出导向器，可以克服目前国内该技术领域瓶颈，具有重大的科研价值和临床使用意义腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器制备装置及方法。

为实现上述目的，本发明设计的一种腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器，包括患者CT扫描影片、骨骼重建装置、导向器构建装置、3D打印机，所述骨骼重建装置的输入端设置有CT扫描影片读取端口，所述患者CT扫描影片设置在CT扫描影片读取端口内，骨骼重建装置内设置有CT扫描影片数据分析模块，所述CT扫描影片数据分析模块输出端连接所述导向器构建装置的输入端，所述导向器构建装置的输出端连接所述3D打印机的输入端。

本发明同时提供了一种应用上述腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器制备方法，包括以下步骤：

（一）、获取患者的CT影像数据并刻盘：

首先记录寰枢椎患者姓名，住院号及入院时间，从本院CT室的PACS系统中获得该患者CT0.5mm厚度的薄层扫描数据，包括TOP像资料，将资料刻录光盘，数据导入DVO-3DP工作平台后首先进行元数据确认，证实点云数据符合目标要求后，设定三维工作平面；然后使用阈值计算工具进行阈值的选取，选择系统自带的“骨性结构”获得骨性结构的划分，此时若结构划分不清晰，则返回阈值计算工具手动选择所需要的阈值，如果目标结构划分清晰，则进入蒙皮生成，生成原始蒙皮；获得原始蒙皮后确认结构完整性，若完整性不足则进入阈值计算重新进行阈值划分，若结构完整则使用区域增补工具获取拟重建结构区域，对已获得的拟重建结构区域的点云数据进行相邻连接重组后生成三维重建模型；

（二）、对初步生成的三维重建模型首先使用网格化及平滑处理工具进行处理：

平滑工具中包含：基础平滑，收缩补偿及合并单元，修补重叠，分别可以是使网格化后的三维重建网格在平滑度，三角面片的错角及重叠等参数上优化，经过处理后的三维重建模型保存为精细三维模型，再使用精简工具，包括：点精简，边缘精简，区域精简工具，对精细模型进行编辑，在局部点，边缘及选定区域中选择删除，添加，编辑后使用模型检测器检查模型的三角漏洞，畸变，检测通过后在精细模型的基础上获得尽可能少的三角面而提高精度的精简精细模型，检测如果失败则返回精简三维模型重新进行精简编辑，最后将精简精细模型进行旋转观察解剖特征，无缺失及遗漏后保存重建模型，完成三维建模；

（三）、进入虚拟手术模块，根据需要对精简精细模模型进行切割及变换：

切割工具包含：线切割，面切割及三维切割，分别可以进行骨肿瘤可视化虚拟手术步骤，如：标记截骨线，截骨及分离，复位骨肿瘤块前准备等，变换工具中的:移动，旋转，分离，合并，镜像及叠加减功能，可以模拟真实手术步骤中复位，融合，减压等手术步骤，在虚拟空间中获得满意的骨肿瘤复位后，使用绘制工具或导入已有的植入物数字文件进行虚拟固定，绘制工具中包括了：点，线，圆，圆锥及圆柱，还有不规则体及曲线的绘制，便于植入物的设计，首先绘制或导入直径为3.0mm-4.0mm导针，模拟手术置钉，确定导针置入长度深度及方向完成虚拟手术后评价手术效果，检查是否解剖复位，椎管压迫是否解除，肢体长度或关节面高度是否恢复正常,骨肿瘤损伤程度以及周围软组织，包括动脉，神经安全性，手术效果满意后使用测量工具，测量三维空间中的长度，角度便于标记，并留存为手术参数；

（四）、进入导向器设计模块：

打开精简精细模型，首先根据拟设计的导向器大小，轮廓，绘制直线轮廓及曲线轮廓，构成初级导向面，使用拉伸工具，将绘制完毕的初级导向面拉伸至合适的尺寸，拉伸完毕后沿对应椎体上缘绘制曲线结构相同的拉伸曲线，使用替换工具将初级导向面拉伸后获得的结构体上方面替换为特征性拉伸曲线，达到去遮挡的作用，然后使用调整相交量工具获得准备曲面的初级导向体，将虚拟手术模块中保存的手术参数，如：导针，骨肿瘤模型等导入后，获得导向器内导向孔的位置信息，调整初级导向体的位置，使用旋转及移动工具与骨肿瘤模型匹配，然后使用集运算工具，包括：交集计算，减集计算，并集计算的工具获得特征性曲面，保存为标准导向器；

（五）进入可打印处理模块，首先获得虚拟打印平台，根据3D打印机的长*宽*高参数设定，导入骨肿瘤及导向器模型，使用模型判定工具，需要支撑的模型进行下一步支撑设计，不需要支撑的模型则直接保存为.stl文件，供3D打印机打印，需要支撑的模型进入支撑定义，按照顺序依次选择支撑角度，分布密度及底直径，接触直径的设定，设定完毕生成支撑并与拟打印的模型合并，生成可打印的精简精细模型及可打印导向器的.stl文件，供3D打印机打印；

（六）、对导向器及骨肿瘤模型实体文件进行“数据切片”形成代码,将骨肿瘤及导向器.stl格式文件导入3D打印机配套软件进行Platform移动旋转，确保支撑有效物体能可靠打印，计算打印材料，时间及挤出机速度等参数调整，使用代码生成器对骨肿瘤及导向器“切片”形成.gode文件并保存SD卡；

（七）、代码导入准工业级3D打印机制作导向器及骨肿瘤模型，安装PLA丝料，加热挤出头，调整打印平面，确认打印温度，时间及供料管通畅，开始打印，骨肿瘤模型及导向器打印完毕后手动去除模型支撑，将二者进行匹配，使用手术器械进行模拟手术，确认置钉安全性，准确性及匹配性评估，对导向器及骨肿瘤模型进行消毒便于术中导向使用。

本发明设计的数字可视化骨肿瘤病灶导向器3D打印工作平台，包括骨骼重建模块，模型管理模块，虚拟手术模块，导向器构建模块和可打印处理模块，临床医生直接利用这一工作平台，输入手术患者的CT数据资料，就可以设计制备出导向器，大幅度提高手术精确性并降低手术风险。

附图说明

图1是本发明腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器制备装置的结构示意图；

图2是本发明数据导入数字可视化导向器设计打印工作软件平台的流程图；

图3是本发明计算机辅助三维模型输出可视化虚拟手术方案的流程图；

图4是本发明导向器制备方法流程图；

图5是本发明的3D打印出导向器的流程图；

图中：1-CT扫描影片；2-骨骼重建装置（2.1-CT扫描影片读取端口；2.2-CT扫描影片数据分析模块）；3-导向器构建装置；4-3D打印机；5-导向器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示的腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器制备装置，包括患者CT扫描影片1、骨骼重建装置2、导向器构建装置3、3D打印机4，骨骼重建装置2的输入端设置有CT扫描影片读取端口2.1，患者CT扫描影片1设置在CT扫描影片读取端口2.1内，骨骼重建装置2内设置有CT扫描影片数据分析模块2.2，CT扫描影片数据分析模块2.2输出端连接所述导向器构建装置3的输入端，导向器构建装置3的输出端连接所述3D打印机4的输入端，整个装置构成数字可视化骨肿瘤病灶导向器3D设计打印工作平台，使临床医生直接利用这一工作平台，输入手术患者的CT数据资料，就可以设计制备出导向器5。

结合图2、图3、图4、图5所示流程图，以下详细阐述腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器的制备方法，包括以下步骤：

（一）、获取患者的CT影像数据并刻盘：

首先记录寰枢椎患者姓名，住院号及入院时间，从本院CT室的PACS系统中获得该患者CT0.5mm厚度的薄层扫描数据，包括TOP像资料，将资料刻录光盘，数据导入DVO-3DP工作平台后首先进行元数据确认，证实点云数据符合目标要求后，设定三维工作平面；然后使用阈值计算工具进行阈值的选取，选择系统自带的“骨性结构”获得骨性结构的划分，此时若结构划分不清晰，则返回阈值计算工具手动选择所需要的阈值，如果目标结构划分清晰，则进入蒙皮生成，生成原始蒙皮；获得原始蒙皮后确认结构完整性，若完整性不足则进入阈值计算重新进行阈值划分，若结构完整则使用区域增补工具获取拟重建结构区域，对已获得的拟重建结构区域的点云数据进行相邻连接重组后生成三维重建模型；

（二）、对初步生成的三维重建模型首先使用网格化及平滑处理工具进行处理：

平滑工具中包含：基础平滑，收缩补偿及合并单元，修补重叠，分别可以是使网格化后的三维重建网格在平滑度，三角面片的错角及重叠等参数上优化，经过处理后的三维重建模型保存为精细三维模型，再使用精简工具，包括：点精简，边缘精简，区域精简工具，对精细模型进行编辑，在局部点，边缘及选定区域中选择删除，添加，编辑后使用模型检测器检查模型的三角漏洞，畸变，检测通过后在精细模型的基础上获得尽可能少的三角面而提高精度的精简精细模型，检测如果失败则返回精简三维模型重新进行精简编辑，最后将精简精细模型进行旋转观察解剖特征，无缺失及遗漏后保存重建模型，完成三维建模；

（三）、进入虚拟手术模块，根据需要对精简精细模模型进行切割及变换：

切割工具包含：线切割，面切割及三维切割，分别可以进行骨肿瘤可视化虚拟手术步骤，如：标记截骨线，截骨及分离，复位骨肿瘤块前准备等，变换工具中的:移动，旋转，分离，合并，镜像及叠加减功能，可以模拟真实手术步骤中复位，融合，减压等手术步骤，在虚拟空间中获得满意的骨肿瘤复位后，使用绘制工具或导入已有的植入物数字文件进行虚拟固定，绘制工具中包括了：点，线，圆，圆锥及圆柱，还有不规则体及曲线的绘制，便于植入物的设计，首先绘制或导入直径为3.0mm-4.0mm导针，模拟手术置钉，确定导针置入长度深度及方向完成虚拟手术后评价手术效果，检查是否解剖复位，椎管压迫是否解除，肢体长度或关节面高度是否恢复正常,骨肿瘤损伤程度以及周围软组织，包括动脉，神经安全性，手术效果满意后使用测量工具，测量三维空间中的长度，角度便于标记，并留存为手术参数；

（四）、进入导向器设计模块：

打开精简精细模型，首先根据拟设计的导向器大小，轮廓，绘制直线轮廓及曲线轮廓，构成初级导向面，使用拉伸工具，将绘制完毕的初级导向面拉伸至合适的尺寸，拉伸完毕后沿对应椎体上缘绘制曲线结构相同的拉伸曲线，使用替换工具将初级导向面拉伸后获得的结构体上方面替换为特征性拉伸曲线，达到去遮挡的作用，然后使用调整相交量工具获得准备曲面的初级导向体，将虚拟手术模块中保存的手术参数，如：导针，骨肿瘤模型等导入后，获得导向器内导向孔的位置信息，调整初级导向体的位置，使用旋转及移动工具与骨肿瘤模型匹配，然后使用集运算工具，包括：交集计算，减集计算，并集计算的工具获得特征性曲面，保存为标准导向器；

（五）进入可打印处理模块，首先获得虚拟打印平台，根据3D打印机的长*宽*高参数设定，导入骨肿瘤及导向器模型，使用模型判定工具，需要支撑的模型进行下一步支撑设计，不需要支撑的模型则直接保存为.stl文件，供3D打印机打印，需要支撑的模型进入支撑定义，按照顺序依次选择支撑角度，分布密度及底直径，接触直径的设定，设定完毕生成支撑并与拟打印的模型合并，生成可打印的精简精细模型及可打印导向器的.stl文件，供3D打印机打印；

（六）、对导向器及骨肿瘤模型实体文件进行“数据切片”形成代码,将骨肿瘤及导向器.stl格式文件导入3D打印机配套软件进行Platform移动旋转，确保支撑有效物体能可靠打印，计算打印材料，时间及挤出机速度等参数调整，使用代码生成器对骨肿瘤及导向器“切片”形成.gode文件并保存SD卡；

（七）、代码导入准工业级3D打印机制作导向器及骨肿瘤模型，安装PLA丝料，加热挤出头，调整打印平面，确认打印温度，时间及供料管通畅，开始打印，骨肿瘤模型及导向器打印完毕后手动去除模型支撑，将二者进行匹配，使用手术器械进行模拟手术，确认置钉安全性，准确性及匹配性评估，对导向器及骨肿瘤模型进行消毒便于术中导向使用。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制。其他参照前述实施例对本发明进行结构或技术原理的修改，或者对于部分内容进行修改替换或组装，并不使相应技术方案的本质脱离本发明涉及的技术方案的精神和范围。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器制备装置，其特征在于：包括患者CT扫描影片（1）、骨骼重建装置（2）、导向器构建装置（3）、3D打印机（4），所述骨骼重建装置（2）的输入端设置有CT扫描影片读取端口（2.1），所述患者CT扫描影片（1）设置在CT扫描影片读取端口（2.1）内，骨骼重建装置（2）内设置有CT扫描影片数据分析模块（2.2），所述CT扫描影片数据分析模块（2.2）输出端连接所述导向器构建装置（3）的输入端，所述导向器构建装置（3）的输出端连接所述3D打印机（4）的输入端。

2.一种利用权利要求1所述的腓骨近端骨肿瘤病灶清除导向器的制备方法，包括以下步骤：

（一）、获取患者的CT影像数据并刻盘：

首先记录寰枢椎患者姓名，住院号及入院时间，从本院CT室的PACS系统中获得该患者CT0.5mm厚度的薄层扫描数据，包括TOP像资料，将资料刻录光盘，数据导入DVO-3DP工作平台后首先进行元数据确认，证实点云数据符合目标要求后，设定三维工作平面；然后使用阈值计算工具进行阈值的选取，选择系统自带的“骨性结构”获得骨性结构的划分，此时若结构划分不清晰，则返回阈值计算工具手动选择所需要的阈值，如果目标结构划分清晰，则进入蒙皮生成，生成原始蒙皮；获得原始蒙皮后确认结构完整性，若完整性不足则进入阈值计算重新进行阈值划分，若结构完整则使用区域增补工具获取拟重建结构区域，对已获得的拟重建结构区域的点云数据进行相邻连接重组后生成三维重建模型；

（二）、对初步生成的三维重建模型首先使用网格化及平滑处理工具进行处理：

平滑工具中包含：基础平滑，收缩补偿及合并单元，修补重叠，分别可以是使网格化后的三维重建网格在平滑度，三角面片的错角及重叠等参数上优化，经过处理后的三维重建模型保存为精细三维模型，再使用精简工具，包括：点精简，边缘精简，区域精简工具，对精细模型进行编辑，在局部点，边缘及选定区域中选择删除，添加，编辑后使用模型检测器检查模型的三角漏洞，畸变，检测通过后在精细模型的基础上获得尽可能少的三角面而提高精度的精简精细模型，检测如果失败则返回精简三维模型重新进行精简编辑，最后将精简精细模型进行旋转观察解剖特征，无缺失及遗漏后保存重建模型，完成三维建模；

（三）、进入虚拟手术模块，根据需要对精简精细模模型进行切割及变换：

切割工具包含：线切割，面切割及三维切割，分别可以进行骨肿瘤可视化虚拟手术步骤，如：标记截骨线，截骨及分离，复位骨肿瘤块前准备等，变换工具中的:移动，旋转，分离，合并，镜像及叠加减功能，可以模拟真实手术步骤中复位，融合，减压等手术步骤，在虚拟空间中获得满意的骨肿瘤复位后，使用绘制工具或导入已有的植入物数字文件进行虚拟固定，绘制工具中包括了：点，线，圆，圆锥及圆柱，还有不规则体及曲线的绘制，便于植入物的设计，首先绘制或导入直径为3.0mm-4.0mm导针，模拟手术置钉，确定导针置入长度深度及方向完成虚拟手术后评价手术效果，检查是否解剖复位，椎管压迫是否解除，肢体长度或关节面高度是否恢复正常,骨肿瘤损伤程度以及周围软组织，包括动脉，神经安全性，手术效果满意后使用测量工具，测量三维空间中的长度，角度便于标记，并留存为手术参数；

（四）、进入导向器设计模块：

打开精简精细模型，首先根据拟设计的导向器大小，轮廓，绘制直线轮廓及曲线轮廓，构成初级导向面，使用拉伸工具，将绘制完毕的初级导向面拉伸至合适的尺寸，拉伸完毕后沿对应椎体上缘绘制曲线结构相同的拉伸曲线，使用替换工具将初级导向面拉伸后获得的结构体上方面替换为特征性拉伸曲线，达到去遮挡的作用，然后使用调整相交量工具获得准备曲面的初级导向体，将虚拟手术模块中保存的手术参数，如：导针，骨肿瘤模型等导入后，获得导向器内导向孔的位置信息，调整初级导向体的位置，使用旋转及移动工具与骨肿瘤模型匹配，然后使用集运算工具，包括：交集计算，减集计算，并集计算的工具获得特征性曲面，保存为标准导向器；

（五）进入可打印处理模块，首先获得虚拟打印平台，根据3D打印机的长*宽*高参数设定，导入骨肿瘤及导向器模型，使用模型判定工具，需要支撑的模型进行下一步支撑设计，不需要支撑的模型则直接保存为.stl文件，供3D打印机打印，需要支撑的模型进入支撑定义，按照顺序依次选择支撑角度，分布密度及底直径，接触直径的设定，设定完毕生成支撑并与拟打印的模型合并，生成可打印的精简精细模型及可打印导向器的.stl文件，供3D打印机打印；

（六）、对导向器及骨肿瘤模型实体文件进行“数据切片”形成代码,将骨肿瘤及导向器.stl格式文件导入3D打印机配套软件进行Platform移动旋转，确保支撑有效物体能可靠打印，计算打印材料，时间及挤出机速度等参数调整，使用代码生成器对骨肿瘤及导向器“切片”形成.gode文件并保存SD卡；

（七）、代码导入准工业级3D打印机制作导向器及骨肿瘤模型，安装PLA丝料，加热挤出头，调整打印平面，确认打印温度，时间及供料管通畅，开始打印，骨肿瘤模型及导向器打印完毕后手动去除模型支撑，将二者进行匹配，使用手术器械进行模拟手术，确认置钉安全性，准确性及匹配性评估，对导向器及骨肿瘤模型进行消毒便于术中导向使用。