CN105105841A - 用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，包括如下步骤：（1）仿真模拟，根据骨折病例进行三维重建获得骨折的三维重建模型，并进行骨折虚拟复位；在虚拟复位模型基础上进行虚拟钢板内固定植入手术，包括锁定钉道设计及虚拟钢板定位；（2）导航模板的设计，包括（2.1）导航模板的稳定元件设计，（2.2）稳定元件的获得和（2.3）导航隧道的制备；（3）3D打印，将导航模板通过3D打印设备打印。该用于内固定钢板植入引导的导航模板的制备方法，利用钢板植入位置周边的骨性标志物作为定位引导获得导航模板，具有制备简单，所制备的导航模板在内固定手术中能够实现对钢板的精确导航，精度高、安全性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及骨折复位导航技术领域，特别是涉及一种用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法。
背景技术
内固定是通过骨科手术在骨折复位后用金属或生物材料维持骨折对位和稳定的技术。对于存在较大骨折块或者结构复杂部位骨折的患者，不仅需要螺钉固定，还需要通过钢板起到支撑固定的作用。现有技术中，钢板通常是根据人群的平均情况制备，钢板上螺钉的位置和方向也是预先设置的。
骨折内固定植入，是实现内固定手术效果的决定性环节，在整个手术治疗中具有举足轻重的作用。在一些复杂的骨折病例中内固定的要求更高，需要准备确定接骨板和螺钉的规格、植入位置、螺钉植入方向等因素，稍有差池可能后果都很严重。
随着计算机技术与影像学技术的发展，导航技术已经成为骨科手术的非常重要的一种应用方式，导航技术使骨折手术治疗更加精确而有效。
现有导航设备主要有基于X射线的二维导航系统、计算机导航系统和导航模板。虽然与导航系统密切相关的影像学与计算机技术在近年得到迅速发展，但是由于导航系统价格昂贵、术前准备复杂、操作难度高等缺点，在实际临床应用率并不高。
为了提高内固定的精度，导航模板成为国内外学者研究的对象，目前国内外学者对此技术的研究主要基于同样的设计原理：通过对骨面模型的拉伸，通过布尔运算减去骨面得到与骨面相反向的导板模型，然后在导板模型上再设计导航隧道。这种导航模板主要是针对螺钉的，目前还没有研究针对钢板的精确植入的导航模板。原因在于简单螺钉的植入可以通过虚拟的导航隧道直接确定螺钉的植入位置及方向，可以直接引导螺钉的植入。而直接以钢板为导航对象进行设计导航模板时，很难找到导航的依据，而且导航模板的原理靠的是与骨面的“锁-钥匙”的特点，如果再加入钢板的额外因素，会使得导航模板的设计收到更多因素的干扰，影响了导航模板的精确性，钢板的导航模板模型的设计也困难。
因此，针对现有技术不足，提供一种用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法以克服现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，该用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法所制备的导航模板能够精确用于引导内固定钢板位置的准确定位，具有精度高、安全性能良好的特点。
本发明的上述目的通过以下技术措施实现：
一种用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，包括如下步骤：
（1）仿真模拟
根据骨折对象进行三维重建获得骨折对象的三维重建模型，并根据三维重建模型进行骨折块复位获得虚拟复位模型；
在虚拟复位模型基础上进行虚拟锁定钉道及虚拟钢板的定位，得到虚拟钢板的植入位置、虚拟钢板上的锁定钉道位置及锁定钉道方向；
（2）导航模板模拟体的获得
（2.1）稳定元件位置确定
以圆柱体作为导航模板模拟体的稳定元件主体，利用导航模板模拟体骨折部位附近的骨性标志物确定导航模板模拟体的卡位位置，使得导航模板模拟体与骨面相匹配；
（2.2）稳定元件的获得
稳定元件位置确定后，通过布尔运算减去骨面，所得的模型就是导航模板模拟体的稳定元件；
（2.3）导航隧道的制备
根据步骤A的锁定钉道，对稳定元件通过布尔运算减去虚拟的锁定钉道形成导航隧道，得到具有导航隧道的导航模板模拟体；
（3）3D打印
将导航模板模拟体通过3D打印设备打印，得到导航模板。
上述步骤（1）中，在虚拟复位模型基础上虚拟的钢板与虚拟复位模型的骨面匹配，锁定钉道位置及锁定钉道方向能够固定住骨折块。
上述步骤（2.1）中，导航模板模拟体的卡位位置覆盖住三维重建模型的骨性标志点并覆盖住模拟钢板头部的主要锁定钉道。
上述步骤（2）具体通过医学软件Mimics进行导航模板模拟体的设计。
上述步骤（3）具体是，将步骤（2.3）的导航模板模拟体导入3D打印机，在打印精度0.3mm、模型填充度20％、打印温度230℃的参数设置下进行模型打印，得到导航模板。
上述步骤（3）具体采用的3D打印材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
本发明的一种用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，包括如下步骤：（1）仿真模拟，根据骨折对象进行三维重建获得骨折对象的三维重建模型，并根据三维重建模型进行骨折块复位获得虚拟复位模型；在虚拟复位模型基础上虚拟锁定钉道及虚拟钢板定位，得到虚拟钢板、虚拟钢板上的锁定钉道位置及锁定钉道方向；（2）导航模板模拟体的获得，包括（2.1）稳定元件位置确定，（2.2）稳定元件的获得和（2.3）导航隧道的制备；（3）3D打印，将导航模板模拟体通过3D打印设备打印，得到导航模板。该用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，利用骨折对象的骨性标志物获得导航模板，具有制备简单，所制备的导航模板在内固定手术中能够实现对钢板的精确导航，具有精度高、安全性能良好的特点。
附图说明
结合附图对本发明作进一步的描述，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明实施例2根据一胫骨目标对象的骨折部位建立的虚拟复位模型。
图2是在虚拟复位模型基础上虚拟锁定钉道及虚拟钢板定位的示意图。
图3是导航模板模拟体的设计示意图。
图4是图3中A区的导航模板模拟体一个面的示意图。
图5是图3中A区的导航模板模拟体另一面的示意图。
图6是利用本发明实施例2制备的导航模板模拟临床引导钢板定位的示意图。其中，图A是置入导航模板，图B是打入克氏针，图C是按照克氏针的位置打入锁定螺钉，图D是内固定好钢板和锁定螺钉后的示意图。
在图1至图6中，包括：
虚拟钢板10、锁定钉道20、
导航模板模拟体30、导航隧道40。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1。
一种用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，通过如下步骤进行的。
（1）仿真模拟
根据骨折对象进行三维重建获得骨折对象的三维重建模型，并根据三维重建模型进行骨折块复位获得虚拟复位模型；
在虚拟复位模型基础上进行虚拟锁定钉道及虚拟钢板的定位，得到虚拟钢板的植入位置、虚拟钢板上的锁定钉道位置及锁定钉道方向。在虚拟复位模型基础上虚拟的钢板与虚拟复位模型的骨面匹配，锁定钉道位置及锁定钉道方向能够固定住骨折块。
（2）导航模板模拟体的获得
（2.1）稳定元件位置确定
以圆柱体作为导航模板模拟体的稳定元件主体，利用导航模板模拟体骨折部位附近的骨性标志物确定导航模板模拟体的卡位位置，使得导航模板模拟体与骨面相匹配；
步骤（2）具体通过医学软件Mimics进行导航模板模拟体的设计，步骤（2.1）中，导航模板模拟体的卡位位置覆盖住三维重建模型的骨性标志物，并覆盖住模拟钢板头部的主要锁定钉道，此处的钢板头部的主要锁定钉道，即钢板头部的具有不同固定方向的锁定钉道，不同于钢板体部几乎平行的钉道；
（2.2）稳定元件的获得
稳定元件位置确定后，通过布尔运算减去骨面，所得的模型就是导航模板模拟体的稳定元件；
（2.3）导航隧道的制备
根据步骤A的锁定钉道，对稳定元件通过布尔运算减去虚拟的锁定钉道形成导航隧道，得到具有导航隧道的导航模板模拟体。
（3）3D打印
将导航模板模拟体通过3D打印设备打印，得到导航模板。具体是，将步骤（2.3）的导航模板模拟体导入3D打印机，在打印精度0.3mm、模型填充度20％、打印温度230℃的参数设置下进行模型打印，得到导航模板。采用的3D打印材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，具有有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等特点。
该导航模板在内固定手术中对钢板的位置引导是这样操作的：把对应的3D打印的导航模板在目标对象的骨面上进行卡位，卡位要求导航模板与骨面牢固与准确固定，不能有松动及滑动。导航模板准确卡位后，沿着导航模板上的导航隧道打入2.0mm的克氏针，克氏针的进针点与方向则就是锁定钉道的进钉点与钉道方向，由此来引导锁定钉道的植入。当锁定螺钉的植入位置以及方向确定后，那么钢板的植入位置也就确定下来。当所有的导向隧道都植入克氏针后，取下导航模板，克氏针仍然留在原处。按照克氏针所确定的锁定钉道位置套上虚拟内固定手术术前设计所挑选的钢板，下一步就是植入锁定螺钉，沿着克氏针的进钉点和方向依次进行钻孔、攻丝、测深以及植入螺钉，直至完成所有的螺钉植入。
本发明所制备的导航模板，具有设计简单、导航结果精确的特点。通过所制备的导航模板，可以进行导航模板辅助钢板的精确内固定植入。在以往的导航模板设计理念中往往是以导航目标的周边区域（大片的相邻骨组织）作为模板的卡位设计区域，无形当中增加了导航模板的面积，从而影响了手术切口及软组织血运。本技术以导航目标相邻的骨性标志点为导航卡位的区域，可以多个骨性标志点联合、组合设计，减少了卡位面积，同时也不影响导航模板的卡位效果。
本发明利用骨性标志物进行导航模板虚拟体的定位位置设定，能够减少导航模板对手术切口的影响及减少导航模板卡位时软组织的损伤，把对钢板的导航转化为对钉道的导航，实现精确的钢板内固定植入。
实施例2。
以一胫骨骨折目标对象的锁定钢板为例说明本发明用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，具体通过如下步骤进行的。
（1）仿真模拟
根据骨折对象进行三维重建获得骨折对象的三维重建模型，并根据三维重建模型进行骨折块复位获得虚拟复位模型，如图1所示。
在虚拟复位模型基础上虚拟锁定钉道20及虚拟钢板10定位，得到虚拟钢板10、虚拟钢板10上的锁定钉道20位置及锁定钉道20方向，如图2所示。在虚拟复位模型基础上虚拟的钢板与虚拟复位模型的骨面匹配，锁定钉道20位置及锁定钉道20方向能够固定住骨折块。
（2）导航模板模拟体30的获得
在内固定手术中，当锁定钉道的位置确定后，钢板的位置也就确定了，因此，可以利用导航模板模拟体的位置及其上的导航隧道确定锁定钢板上的锁定钉道位置和锁定钉道的方向，通过锁定钉道的位置和方向确定钢板的置入位置。具体的，导航模板模拟体通过如下步骤获得。
（2.1）稳定元件位置确定
步骤（2）具体通过医学软件Mimics进行导航模板模拟体30的设计。以圆柱体作为导航模板模拟体30的稳定元件主体，利用导航模板模拟体30骨折部位附近的骨性标志物确定导航模板模拟体30的卡位位置，使得导航模板模拟体30与骨面相匹配，如图3所示。导航模板模拟体30的卡位位置覆盖住三维重建模型的骨性标志物，并覆盖住模拟钢板头部的主要锁定钉道20，以便在内固定手术中，能够通过所制备的导航模板精确固定于目标对象，并精确引导钢板的位置。
（2.2）稳定元件的获得
稳定元件位置确定后，通过布尔运算减去骨面，所得的模型就是导航模板模拟体30的稳定元件。
（2.3）导航隧道40的制备
根据步骤A的锁定钉道20，对稳定元件通过布尔运算减去虚拟的锁定钉道20形成导航隧道40，得到具有导航隧道40的导航模板模拟体，如图4、图5所示。
（3）3D打印
将导航模板模拟体30通过3D打印设备打印，得到导航模板。具体是，将步骤（2.3）的导航模板模拟体30导入3D打印机，在打印精度0.3mm、模型填充度20％、打印温度230℃的参数设置下进行模型打印，得到导航模板。采用的3D打印材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，具有有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等特点。
本发明方法所制备的导航模板是这样辅助进行内固定植入的，如图6所示，把对应的3D打印的导航模板在目标对象的骨面上进行卡位，卡位要求导航模板与骨面牢固与准确固定，不能有松动及滑动。导航模板准确卡位后，沿着导航模板上的导航隧道打入2.0mm的克氏针，克氏针的进针点与方向则就是锁定钉道的进钉点与钉道方向，由此来引导锁定钉道的植入。当锁定螺钉的植入位置以及方向确定后，那么钢板的植入位置也就确定下来。当所有的导向隧道都植入克氏针后，取下导航模板，克氏针仍然留在原处。按照克氏针所确定的锁定钉道位置套上虚拟内固定手术术前设计所挑选的钢板，下一步就是植入锁定螺钉，沿着克氏针的进钉点和方向依次进行钻孔、攻丝、测深以及植入螺钉，直至完成所有的螺钉植入。
本发明所制备的导航模板，具有设计简单、导航结果精确的特点。通过所制备的导航模板，可以进行导航模板辅助钢板的精确内固定植入。在以往的导航模板设计理念中往往是以导航目标的周边区域（大片的相邻骨组织）作为模板的卡位设计区域，无形当中增加了导航模板的面积，从而影响了手术切口及软组织血运。本技术以导航目标相邻的骨性标志点为导航卡位的区域，可以多个骨性标志点联合、组合设计，减少了卡位面积，同时也不影响导航模板的卡位效果。
本发明利用骨性标志物进行导航模板虚拟体的定位位置设定，能够减少导航模板对手术切口的影响及减少导航模板卡位时软组织的损伤，把对钢板的导航转化为对钉道的导航，实现精确的钢板内固定植入。
后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，其特征在于，
包括如下步骤：
（1）仿真模拟
根据骨折对象进行三维重建获得骨折对象的三维重建模型，并根据三维重建模型进行骨折块复位获得虚拟复位模型；
在虚拟复位模型基础上进行虚拟锁定钉道及虚拟钢板的定位，得到虚拟钢板的植入位置、虚拟钢板上的锁定钉道位置及锁定钉道方向；
（2）导航模板模拟体的获得
（2.1）稳定元件位置确定
以圆柱体作为导航模板模拟体的稳定元件主体，利用导航模板模拟体骨折部位附近的骨性标志物确定导航模板模拟体的卡位位置，使得导航模板模拟体与骨面相匹配；
（2.2）稳定元件的获得
稳定元件位置确定后，通过布尔运算减去骨面，所得的模型就是导航模板模拟体的稳定元件；
（2.3）导航隧道的制备
根据步骤A的锁定钉道，对稳定元件通过布尔运算减去虚拟的锁定钉道形成导航隧道，得到具有导航隧道的导航模板模拟体；
（3）3D打印
将导航模板模拟体通过3D打印设备打印，得到导航模板。
2.根据权利要求1所述的用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，其特征在于，
所述步骤（1）中，在虚拟复位模型基础上虚拟的钢板与虚拟复位模型的骨面匹配，锁定钉道位置及锁定钉道方向能够固定住骨折块。
3.根据权利要求2所述的用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，其特征在于，
所述步骤（2.1）中，导航模板模拟体的卡位位置覆盖住三维重建模型的骨性标志点，并覆盖住模拟钢板头部的主要锁定钉道。
4.根据权利要求3所述的用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，其特征在于，
所述步骤（2）具体通过医学软件Mimics进行导航模板模拟体的设计。
5.根据权利要求4所述的用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，其特征在于：
步骤（3）具体是，将步骤（2.3）的导航模板模拟体导入3D打印机，在打印精度0.3mm、模型填充度20％、打印温度230℃的参数设置下进行模型打印，得到导航模板。
6.根据权利要求5所述的用于引导骨折内固定钢板植入的导航模板的制备方法，其特征在于：步骤（3）具体采用的3D打印材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
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