CN105105848A - 基于ct扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法 - Google Patents

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杨洋
曾参军
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Abstract

一种基于CT扫描的带钉锁定钢板模型的构建方法，包括如下步骤：(1)将带钉锁定钢板进行CT扫描，根据CT扫描数据进行三维带钉锁定钢板模型重建；（2）以带钉锁定钢板模型的钉道为参考，绘制虚拟钉道；（3）通过CT扫描不带钉的锁定钢板，并根据CT扫描数据进行三维初始无钉锁定钢板模型重建，并处理得到终版无钉锁定钢板模型；（4）将带钉锁定钢板模型与终版无钉锁定钢板模型进行配准；（5）通过布尔运算，使终版无钉锁定钢板模型与虚拟钉道的进行组合，获得带钉道的锁定钢板模型。本发明能够将虚拟钉道与无钉锁定钢板的三维重建模型配合，得到带钉道的锁定钢板模型，辅助骨科复位模拟具有精度高、安全性能良好的特点。

Description

基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法
技术领域
本发明涉及骨折内固定导航技术领域，特别是涉及一种基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法。
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，还需要通过锁定钢板起到支撑固定的作用。
锁定钢板是一种带有螺纹孔的骨折固定装置，可同时具有锁定和非锁定孔，以供不同螺钉拧入。锁定钢板的固定不依靠骨摩擦力来实现连接，而是借助于钢板自身的交锁结构来实现，钢板与骨头表面可留有一定间隙，消除了钢板与骨重压接触的不良作用，极大改善了血运和骨膜的生长和恢复。与传统钢板相比，因其更好的生物力学及生物学优势越来越受到的广泛使用。
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，需要准备确定锁定钢板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。
数字技术和医学影像技术的发展，给骨科术前手术方案的实施带来了技术支持。精确的术前计划能减少经验治疗的主观臆测，增加手术操作成功的可能性，且术前计划也能保证术者能提前准备手术过程中所需的植入物。如何在虚拟环境中再现现实的内固定医疗器械模型，是进行精准骨科虚拟手术的关键环节。
现有内固定器械数字建模的方法主要包括CAD软件辅助三维建模以及基于影像的逆向软件建模。基于CAD软件的三维建模，能根据实体的几何特征进行精确地建模，且在同系列的产品的设计中，因具有相似的外形仅仅尺寸规格有所不同，通过修改关键的特征参数即可得到系列化产品，这种设计在螺钉绘制中优势更为突出，显著地减少了重复建模时间。基于影像的逆向软件建模，在骨骼三维建模方面应用较多，应用较多的是基于CT数据的骨骼建模。在金属医疗器械建模方面，根据激光扫描，通过物体表面光线投影来获取物体的表面信息，能实现扫描件的快速数据获取，可实现批量的数据建模。
基于CAD软件的三维建模，能根据实体的几何特征进行精确地建模，其前提是需具备实体的原始数据或工程草图，较适合于规则实体的建模。通过实体测量能解决部分数据来源问题，但受限于骨科内固定器械表面结构的复杂性，如表面曲率、螺纹牙距、边缘倒圆角等，实体测量数据的可获得性及准确性均有所不足；基于影像的逆向软件建模方面主要是激光，其精度易受实体的表面色泽、粗糙度的影响，为提高测量精度，往往需在被测表面涂上“反差增强剂”或做喷漆处理，重建出的模型会有所失真，且喷漆之后的内固定器械面临再利用问题。
同时，由于锁定孔的方向固定，在骨科虚拟手术设计中，如何再现“锁定钢板—螺钉”这一固定模式，将直接影响复杂类型骨折数字化设计的精准性。上述方法都不能很好的解决这个问题。
因此，针对现有技术不足，提供一种基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建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基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，该基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法能够构建具有钉道的锁定钢板模型，辅助骨科复位模拟具有精度高、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：
一种基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，包括如下步骤：
(1)将带钉锁定钢板进行CT扫描，根据CT扫描数据进行三维带钉锁定钢板模型重建；
（2）以带钉锁定钢板模型的钉道为参考，绘制虚拟钉道，通过虚拟钉道模拟现实钉道方向；
（3）通过CT扫描不带钉的锁定钢板，并根据CT扫描数据进行三维初始无钉锁定钢板模型重建，对初始无钉锁定钢板进行形态学处理得到处理后的无钉锁定钢板模型，并对处理后的无钉锁定钢板模型进行体积恢复得到终版无钉锁定钢板模型；
（4）将带钉锁定钢板模型与终版无钉锁定钢板模型进行配准；
（5）通过布尔运算，使终版无钉锁定钢板模型与虚拟钉道的进行组合，获得带钉道的锁定钢板模型。
上述步骤(1)具体是根据CT扫描数据通过在三维软件Mimics进行三维带钉锁定钢板模型重建。
上述虚拟钉道的直径为2.2mm。
上述步骤(3)具体是根据CT扫描数据通过在三维软件Mimics进行三维初始无钉锁定钢板模型重建。
上述步骤（3）中的形态学处理是值对所重建的初始无钉锁定钢板模型进行形态纠正。
上述步骤（3）中对重建的初始无钉锁定钢板模型进行形态纠正后，还包括进行光顺或者减少噪音的补偿处理获得处理后的无钉锁定钢板模型。
上述步骤（3）中的体积恢复具体是以原始无钉锁定钢板模型与处理后的无钉锁定钢板模型的体积比值的立方根作为恢复系数进行体积恢复得到终版无钉锁定钢板模型。
上述步骤（4）具体是采用三维软件Mimics将带钉锁定钢板模型与终版无钉锁定钢板模型进行配准的。
本发明的一种基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，包括如下步骤：(1)将带钉锁定钢板进行CT扫描，根据CT扫描数据进行三维带钉锁定钢板模型重建；（2）以带钉锁定钢板模型的钉道为参考，绘制虚拟钉道，通过虚拟钉道模拟现实钉道方向；（3）通过CT扫描不带钉的锁定钢板，并根据CT扫描数据进行三维初始无钉锁定钢板模型重建，对初始无钉锁定钢板进行形态学处理得到处理后的无钉锁定钢板模型，并对处理后的无钉锁定钢板模型进行体积恢复得到终版无钉锁定钢板模型；（4）将带钉锁定钢板模型与终版无钉锁定钢板模型进行配准；（5）通过布尔运算，使终版无钉锁定钢板模型与虚拟钉道的进行组合，获得带钉道的锁定钢板模型。本发明基于CT扫描的带钉道的锁定钢板模型的构建方法，能够将虚拟钉道与无钉锁定钢板的三维重建模型配合，得到带钉道的锁定钢板模型，辅助骨科复位模拟具有精度高、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的带钉锁定钢板模型的示意图。
图2是本发明实施例2的无钉锁定钢板模型的示意图。
图3是绘制的虚拟钉道的示意图。
图4是虚拟钉道与终版无钉锁定钢板模型的组合示意图。
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。
一种基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，通过如下步骤进行的：
(1)将带钉锁定钢板进行CT扫描，根据CT扫描数据进行三维带钉锁定钢板模型重建；步骤(1)具体是根据CT扫描数据通过在三维软件Mimics进行三维带钉锁定钢板模型重建。
（2）以带钉锁定钢板模型的钉道为参考，绘制直径为2.2mm的虚拟钉道，通过虚拟钉道模拟现实钉道方向。
（3）通过CT扫描不带钉的锁定钢板，并根据CT扫描数据进行三维初始无钉锁定钢板模型重建，对初始无钉锁定钢板进行形态学处理得到处理后的无钉锁定钢板模型，并对处理后的无钉锁定钢板模型进行体积恢复得到终版无钉锁定钢板模型。
具体的，步骤(3)也是根据CT扫描数据通过在三维软件Mimics进行三维初始无钉锁定钢板模型重建。形态学处理是值对所重建的初始无钉锁定钢板模型进行形态纠正。对重建的初始无钉锁定钢板模型进行形态纠正后，还包括进行光顺或者减少噪音的补偿处理获得处理后的无钉锁定钢板模型。步骤（3）中的体积恢复具体是以原始无钉锁定钢板模型与处理后的无钉锁定钢板模型的体积比值的立方根作为恢复系数进行体积恢复得到终版无钉锁定钢板模型。
（4）采用三维软件Mimics将带钉锁定钢板模型与终版无钉锁定钢板模型进行配准。
（5）通过布尔运算，使终版无钉锁定钢板模型与虚拟钉道的进行组合，获得带钉道的锁定钢板模型。
本发明在已经构建好的不带钉接骨板形态模型基础上，通过构建的通用虚拟钉道，实现具有指定方向虚拟钉道的有机组合，在辅助骨科复位模拟中有利于骨折部位的精度提高，无论对骨科复位方案研究还是临床治疗都要非常有益的效果。
此外，同一系列锁定钢板具有相同的头端设计，只是在接骨板长轴的长度及螺孔数有所区别，所构建的虚拟钉道具有通用性，能满足同一系列的不同规格的带钉锁定钢板的构建。
实施例2。
以一具体实施例对本发明一种基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法进行说明，本发明方法通过如下步骤进行的：
(1)将带钉锁定钢板进行CT扫描，根据CT扫描数据通过三维软件Mimics进行三维带钉锁定钢板模型重建，如图1所示。
（2）以带钉锁定钢板模型的钉道为参考，绘制直径为2.2mm的虚拟钉道，如图3所示，通过虚拟钉道模拟现实钉道方向。
（3）通过CT扫描不带钉的锁定钢板，并根据CT扫描数据进行三维初始无钉锁定钢板模型重建，对初始无钉锁定钢板进行形态学处理得到处理后的无钉锁定钢板模型，并对处理后的无钉锁定钢板模型进行体积恢复得到终版无钉锁定钢板模型，如图2所示。
具体的，步骤(3)也是根据CT扫描数据通过在三维软件Mimics进行三维初始无钉锁定钢板模型重建。形态学处理是值对所重建的初始无钉锁定钢板模型进行形态纠正。对重建的初始无钉锁定钢板模型进行形态纠正后，还包括进行光顺或者减少噪音的补偿处理获得处理后的无钉锁定钢板模型。步骤（3）中的体积恢复具体是以原始无钉锁定钢板模型与处理后的无钉锁定钢板模型的体积比值的立方根作为恢复系数进行体积恢复得到终版无钉锁定钢板模型。
（4）采用三维软件Mimics将带钉锁定钢板模型与终版无钉锁定钢板模型进行配准。
（5）通过布尔运算，使终版无钉锁定钢板模型与虚拟钉道的进行组合，获得带钉道的锁定钢板模型，如图4所示。
本发明在已经构建好的不带钉接骨板形态模型基础上，通过构建的通用虚拟钉道，实现具有指定方向虚拟钉道的有机组合，在辅助骨科复位模拟中有利于骨折部位的精度提高，无论对骨科复位方案研究还是临床治疗都要非常有益的效果。
此外，同一系列锁定钢板具有相同的头端设计，只是在接骨板长轴的长度及螺孔数有所区别，所构建的虚拟钉道具有通用性，能满足同一系列的不同规格的带钉锁定钢板的构建。
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 (8)

1.基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将带钉锁定钢板进行CT扫描，根据CT扫描数据进行三维带钉锁定钢板模型重建；
（2）以带钉锁定钢板模型的钉道为参考，绘制虚拟钉道，通过虚拟钉道模拟现实钉道方向；
（3）通过CT扫描不带钉的锁定钢板，并根据CT扫描数据进行三维初始无钉锁定钢板模型重建，对初始无钉锁定钢板进行形态学处理得到处理后的无钉锁定钢板模型，并对处理后的无钉锁定钢板模型进行体积恢复得到终版无钉锁定钢板模型；
（4）将带钉锁定钢板模型与终版无钉锁定钢板模型进行配准；
（5）通过布尔运算，使终版无钉锁定钢板模型与虚拟钉道的进行组合，获得带钉道锁定钢板模型。
2.根据权利要求1所述的基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，其特征在于，
所述步骤(1)具体是根据CT扫描数据通过在三维软件Mimics进行三维带钉锁定钢板模型重建。
3.根据权利要求2所述的基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，其特征在于，所述虚拟钉道的直径为2.2mm。
4.根据权利要求3所述的基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，其特征在于，所述步骤(3)具体是根据CT扫描数据通过在三维软件Mimics进行三维初始无钉锁定钢板模型重建。
5.根据权利要求4所述的基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，其特征在于，所述步骤（3）中的形态学处理是值对所重建的初始无钉锁定钢板模型进行形态纠正。
6.根据权利要求5所述的基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，其特征在于，所述步骤（3）中对重建的初始无钉锁定钢板模型进行形态纠正后，还包括进行光顺或者减少噪音的补偿处理获得处理后的无钉锁定钢板模型。
7.根据权利要求6所述的基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，其特征在于，所述步骤（3）中的体积恢复具体是以原始无钉锁定钢板模型与处理后的无钉锁定钢板模型的体积比值的立方根作为恢复系数进行体积恢复得到终版无钉锁定钢板模型。
8.根据权利要求7所述的基于CT扫描的带钉道锁定钢板模型的构建方法，其特征在于，所述步骤（4）具体是采用三维软件Mimics将带钉锁定钢板模型与终版无钉锁定钢板模型进行配准的。
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