CN105105853A - 一种基于3d打印的骨骼手术导板制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的骨骼手术导板制作方法，属于医疗技术领域。本发明通过获取人体CT扫描Dicom数据，根据人体组织光密度值差异，利用开放式医学影像学软件mimics完成骨骼数据获取并完成人体骨骼虚拟手术，在需要部位制作个性化手术导板；输出STL格式至3D打印机打印，使用聚乳酸(PLA)材料融纤增材的打印方式，获取导板模型，用于辅助临床骨手术。本发明能够快速、方便、公开共享地利用临床放射数据，建立个性化的骨骼或硬组织模型，制作个性化的手术导板，提高手术精确性，节省手术时间。

Description

一种基于3D打印的骨骼手术导板制作方法

技术领域

本发明属于医疗技术领域，尤其与一种基于3D打印的骨骼手术导板制作方法有关。

背景技术

在临床和科研工作中有大量的实体模型的需求。由于骨骼的解剖形态是立体的，使得医学重建难以在术中顺利完成，目前3D打印快速成型技术在骨缺损重建中的应用价值已经得到公认，它能够辅助诊断疾病、制定方案、模拟手术、减少创伤，大大提高诊断准确率及操作精度。人体骨骼组织是一类具有三维空间结构硬组织，在患者外伤或肿瘤治疗过程中，要求医生利用金属固定板固定骨断端，以完成骨骼的连续性。由于人体骨骼的个体性差异和医生手术过程中的人为因素，骨折的复位和骨骼的截断往往不够精准，导致复位后的效果与医生的预期存在一定的差距，手术的精准性和治疗效果不理想。以口腔颌面外科为例，颌骨肿瘤切除或骨折患者，需要钛金属或可吸收板完成修复重建，但是骨折的复位和骨骼的截断通常是由主刀医生在术中凭借自己的感官判断来完成，存在较大的人为误差，这对于骨折复位和肿瘤切除后的重建效果会产生极大的影响，尤其是颌面部骨折或肿瘤常常涉及上下牙列的咬合关系，如果骨折的复位或截骨后重建稍有偏差，便会引起咬合关系的明显异常，导致患者术后无法正常进食，极大影响了患者术后的生活质量。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的旨在提供一种基于3D打印的骨骼手术导板制作方法。

为此，本发明采用以下技术方案：一种基于3D打印的骨骼手术导板制作方法，包括以下步骤：

1)、数据录入：

1.1)、数据采集：采集患者的薄层CT或MRI检查所生成的医学数字成像标准数据；

1.2)、数据的筛选；

1.3)、使用Mimics软件录入DICOM数据：打开软件后使用file栏的importimages工具，打开收集到的DICOM数据，根据患者病情或研究需要，勾选研究所需的DICOM数据，完成数据输入，确认模型的三维立体方向，转化为研究模型；

2)、数据处理：

2.1)、制作骨骼数字模型：在mimics软件中使用segmentation栏的thresholding工具，选取阈值；使用segmentation栏的calculate3D工具，点击options设计参数，在quality中选择custom选项，根据模型需要对slices和smothing等选项进行设定，运算生成模型的数字三维结构，点击aply生成选定区域的蒙皮文件；

2.2)、模型区域限定：

2.2.1)、三维空间限定：mimics生成骨骼三维数字模型后，点击segmentation栏的cropmask工具，在软件的冠状位、水平位和矢状位三个窗口分别拖拉标尺，框选所研究的区域，同时反复运算节选后的蒙皮文件，生成新的三维数字模型；

2.2.2)、组织结构分离：使用segmentation栏的editmasks工具对蒙皮文件进行分层修改，应用Draw\Erase\Threshold三个选项完成将要打印的骨骼与周围硬组织分离，segmentation栏的regiongrow工具点击分离的骨骼，生成新的蒙皮文件，再次完成三维重建运算，生成新的数字模型。

2.3)、模拟外科和导板制作：

2.3.1)、模拟截骨，按照术前影像学检查及临床检查设计符合手术要求的截骨线，使用Cut功能截断下颌骨，分离出需要截除的部分；

2.3.2)、制作截骨导板，将截骨后的3D文件在截骨区域边缘选定导板覆盖区域，选定该工作面，并在该选取工作面上生成表面实体，增厚该表面实体，并与下颌骨进行布尔差运算，得到与下颌骨表面贴合紧密的所需导板，根据手术需要，对导板进行相应裁剪，直至复合手术要求；

2.4)、模型打印：

2.4.1)、STL文件输出：完成骨骼三维数字模型建立后，点击export栏的STL工具，勾选需要输出的模型，outputdirector中选择文件保存的位置，保存到目的文件夹；

2.4.2)、STL文件转化：使用Makeware软件，设定打印模型的空间位置、旋转方向和缩放大小。

2.5)、按照上述方法制作骨折复位导板

2.5.1)、首先在软件中对骨折进行模拟复位，先将各骨折块分离为单独的文件，再将各骨折块按照正常解剖结构进行复位，得到复位后的数字模型。

所述STL文件转化通过使用Makeware软件，设定打印模型的空间位置、旋转方向和缩放大小，其设计方法为：

模型空间位置：设定为MovetoPlatform，将模型至于面板上可以减少支撑的打印，节省打印材料；

旋转方向：由于3D打印过程中在空间Z方向会生成模型支柱，同时Z方向打印精度最差，旋转模型减少支柱能够节省打印材料，提高打印精度。

缩放大小：为保证模型的精确性，模型保持原有大小。

使用本发明可以达到以下有益效果：本发明大大降低了术中医生的人为因素导致的误差，减少因复位或重建不佳引起的术后并发症，提高手术效果和患者术后的生活质量。通过此项技术，能够很好解决以上问题，推动医学发展进步。

具体实施方式

基于3D打印的骨骼手术导板制作方法，包括以下步骤：

步骤1：数据录入：

1.1、数据采集：在医疗机构的放射科，采集患者的薄层CT或MRI检查所生成的医学数字成像标准数据，Digitalimagingandcommunicationsinmedicine，Dicom3.0数据。

1.2、数据的筛选：

1.2.1、由于扫描数据决定输出模型结果，本发明方法的最高输出精度是层厚0.1mm，因此建议CT或MRI扫描层厚＜或＝2mm；

1.2.2、通过模型研究发现，本研究方法最高打印精度为0.1mm，因此低于0.1mm的组织结构，例如鼻窦或鼻旁窦等结构研究不适用于本发明；

1.2.3、由于本发明的打印布景范围为150×150×240mm，因此研究范畴应小于该体积。

1.3、使用Mimics软件录入DICOM数据：打开软件后使用file栏的importimages工具，打开收集到的DICOM数据，根据患者病情或研究需要，勾选研究所需的DICOM数据，完成数据输入，确认模型的三维立体方向，转化为研究模型。

步骤2、数据处理：

2.1、制作骨骼数字模型：

2.1.1、阈值限定在mimics软件中使用segmentation栏的thresholding工具，选取Bone(CT)或Bone(MRI)阈值。人体CT灰度值反应了物质对X线的衰减大小，水的灰度值定义为0，脂肪的CT值为-100，骨皮质密度为2000，因此以CT骨骼成像为例，选取bonescale范围，灰度值在226-3071之间。而松质骨、皮质骨和牙齿等硬组织CT值范围可按照相关系数筛选，点击aply生成选定区域的蒙皮文件。

2.1.2、3D运算：使用segmentation栏的calculate3D工具，点击options设计参数。鉴于本发明的3D打印数据输出精度通常高于数据录入精度，在quality中选择custom选项，根据模型需要对slices和smothing等选项进行设定，运算生成模型的数字三维结构。

2.2、模型区域限定：

2.2.1、三维空间限定：mimics生成骨骼三维数字模型后，点击segmentation栏的cropmask工具，在软件的冠状位、水平位和矢状位三个窗口分别拖拉标尺，框选所研究的区域，同时反复运算节选后的蒙皮文件，生成新的三维数字模型。

2.2.2、组织结构分离：由于骨骼的三维结构具有不规则性，cropmask工具不能完全分离相关骨骼，因此我们必须根据骨骼外形进行进一步的模型分离。使用segmentation栏的editmasks工具对蒙皮文件进行分层修改，应用Draw\Erase\Threshold三个选项完成将要打印的骨骼与周围硬组织分离，segmentation栏的regiongrow工具点击分离的骨骼，生成新的蒙皮文件，再次完成三维重建运算，生成新的数字模型。

2.3、模拟外科和导板制作：

2.3.1、模拟截骨，按照术前影像学检查及临床检查设计符合手术要求的截骨线，使用Cut功能截断下颌骨，分离出需要截除的部分。

2.3.2、制作截骨导板，将截骨后的3D文件在截骨区域边缘选定导板覆盖区域，选定该工作面，并在该选取工作面上生成表面实体，增厚该表面实体，并与下颌骨进行布尔差运算，得到与下颌骨表面贴合紧密的所需导板，根据手术需要，对导板进行相应裁剪，直至复合手术要求；

2.4、模型打印：

2.4.1、STL文件输出：完成骨骼三维数字模型建立后，点击export栏的STL工具，勾选需要输出的模型，outputdirector中选择文件保存的位置，保存到目的文件夹；

2.4.2、STL文件转化：STL文件导入模型切片如见，例如Maker-bot公司的Makeware软件，设定打印模型的空间位置、旋转方向和缩放大小。

2.4.2.1、模型空间位置：设定为MovetoPlatform，将模型至于面板上可以减少支撑的打印，节省打印材料；

2.4.2.2、旋转方向：由于3D打印过程中在空间Z方向会生成模型支柱，同时Z方向打印精度最差，旋转模型减少支柱能够节省打印材料，提高打印精度。

2.4.2.3、缩放大小：为保证模型的精确性，模型应保持原有大小。

2.5、按照相同的方法可以制作骨折复位导板

2.5.1首先在软件中对骨折进行模拟复位，先将各骨折块分离为单独的文件，再将各骨折块按照正常解剖结构进行复位，得到复位后的数字模型；

本发明大大降低术中医生的人为因素导致的误差，减少因复位或重建不佳引起的术后并发症，提高手术效果和患者术后的生活质量。通过此项技术，能够很好解决以上问题，推动医学发展进步。本发明应用成熟3D打印技术制作手术导板，经济成本低廉，能够为患者节约大量治疗费用。导板制作精确可靠，能够有效的减少术中的误差，极大提升手术精确性。技术操作简单，导板制备不需要配备专人完成，普通临床医生便可以完成操作。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于3D打印的骨骼手术导板制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、数据录入：

1.1)、数据采集：采集患者的薄层CT或MRI检查所生成的医学数字成像标准数据；

1.2)、筛选数据；

1.3)、使用Mimics软件录入DICOM数据：打开软件后使用file栏的importimages工具，打开收集到的DICOM数据，根据患者病情或研究需要，勾选研究所需的DICOM数据，完成数据输入，确认模型的三维立体方向，转化为研究模型；

2)、数据处理：

2.1)、制作骨骼数字模型：在mimics软件中使用segmentation栏的thresholding工具，选取阈值；使用segmentation栏的calculate3D工具，点击options设计参数，在quality中选择custom选项，根据模型需要对slices和smothing等选项进行设定，运算生成模型的数字三维结构，点击aply生成选定区域的蒙皮文件；

2.2)、模型区域限定：

2.2.1)、三维空间限定：mimics生成骨骼三维数字模型后，点击segmentation栏的cropmask工具，在软件的冠状位、水平位和矢状位三个窗口分别拖拉标尺，框选所研究的区域，同时反复运算节选后的蒙皮文件，生成新的三维数字模型；

2.2.2)、组织结构分离：使用segmentation栏的editmasks工具对蒙皮文件进行分层修改，应用Draw\Erase\Threshold三个选项完成将要打印的骨骼与周围硬组织分离，segmentation栏的regiongrow工具点击分离的骨骼，生成新的蒙皮文件，再次完成三维重建运算，生成新的数字模型；

2.3)、模拟外科和导板制作：

2.3.1)、模拟截骨，按照术前影像学检查及临床检查设计符合手术要求的截骨线，使用Cut功能截断下颌骨，分离出需要截除的部分；

2.3.2)、制作截骨导板，将截骨后的3D文件在截骨区域边缘选定导板覆盖区域，选定该工作面，并在该选取工作面上生成表面实体，增厚该表面实体，并与下颌骨进行布尔差运算，得到与下颌骨表面贴合紧密的所需导板，根据手术需要，对导板进行相应裁剪，直至复合手术要求；

2.4)、模型打印：

2.4.1)、STL文件输出：完成骨骼三维数字模型建立后，点击export栏的STL工具，勾选需要输出的模型，outputdirector中选择文件保存的位置，保存到目的文件夹；

2.4.2)、STL文件转化：使用Makeware软件，设定打印模型的空间位置、旋转方向和缩放大小；

2.5)、按照上述方法制作骨折复位导板

2.5.1)、首先在软件中对骨折进行模拟复位，先将各骨折块分离为单独的文件，再将各骨折块按照正常解剖结构进行复位，得到复位后的数字模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的骨骼手术导板制作方法，其特征在于：所述STL文件转化通过使用Makeware软件，设定打印模型的空间位置、旋转方向和缩放大小。