CN105496554A - 一种颈椎单开门手术3d打印导板的制作方法 - Google Patents

一种颈椎单开门手术3d打印导板的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，根据不同患者的颈椎影像学原始数据，重建患者的颈椎模型，在颈椎模型上模拟确定需要开槽的位置以及导板的尺寸范围，通过计算机软件建立导板的三维模型，最后将导板的三维数据导入3D打印机中，制作出导板。医生使用本方法，可根据不同患者的颈椎情况，在术前就对开槽位置进行定位，根据采集的影像学原始数据，就可以快速地设计制备出颈椎单开门手术中用于辅助操作的导板，一方面定位准确，可以达到最佳的减压效果及减少并发症的发生，另一方面降低手术难度，减小手术操作误差，提高手术质量，并可缩短年轻外科医生的学习曲线。

Description

一种颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法
技术领域
本发明涉及医学工具的制作方法，尤其涉及一种颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法。
背景技术
颈椎单开门椎管扩大椎板成形术简称单开门手术，颈椎后路单开门手术是目前外科治疗多阶段颈椎间盘突出症、颈椎管狭窄症、后纵韧带骨化症等颈椎病变的常用方法。颈椎后路单开门手术中开门侧和门轴侧开槽位置的选择对于手术的成功实施非常重要。如果开门侧开槽位置过于靠近中线，则可能导致开门效果不理想、椎管扩大范围不足，影响手术减压效果；如果开槽位置过于靠外，则有可能因开槽深度过深而伤及椎动脉造成大出血，此外也可能造成门轴测发生完全骨折，影响该侧骨性愈合，造成术后椎板的不稳定、椎板再关门等后果。基于上述原因，颈椎后路单开门手术对术者的手术操作技术水平有较高的要求，且学习曲线长，需要多年的手术经验。理想的开槽位置应位于椎板与侧块的移行处，但因为个体间存在解剖变异，这更增加了手术的难度。
发明内容
本发明旨在提供一种颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，根据不同患者制作个性化的手术导板，用于颈椎后路单开门手术的开槽定位，降低手术操作者的技术要求，提高手术质量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：根据不同患者的颈椎影像学原始数据，重建患者的颈椎模型，在颈椎模型上模拟确定需要开槽的位置、形状及尺寸，通过计算机软件建立手术导板的三维模型，最后将手术导板的三维数据导入3D打印机中，制作出导板。具体包括以下步骤：
a.数据采集：患者行颈部CT扫描，获取颈椎影像学原始数据；
b.颈椎模型建立：根据颈椎影像学原始数据生成颈椎的3D模型；
c.导板模型建立：
在颈椎的3D模型上摸拟确定手术中开门侧和门轴侧的开槽位置，根据两个开槽的位置，建立两个磨钻操作通道的3D模型A，3D模型A的左、右侧壁均为平面；
根据颈椎的3D模型，确定导板模型的覆盖区域，根据导板的覆盖区域，用计算机软件制作出与椎板后表面相拟合的曲面，作为导板模型的底面，将曲面拉伸，获得导板的3D模型B；
对3D模型A与3D模型B进行布尔运算获得有磨钻操作通道的导板模型；
d.模型打印：将导板模型的三维数据导入3D打印机，制作出实体导板。
进一步的，所述步骤d之前进行以下操作：用计算机软件模拟建模两枚固定钉，并将两枚固定钉分别装配于棘突根部两侧，使固定钉位于磨钻操作通道与棘突根部之间；将步骤c得到的导板模型与两枚固定钉进行布尔运算，获得有磨钻操作通道和固定钉钉道的导板模型。
优选的，所述步骤c中，对3D模型A与3D模型B进行布尔运算前，用计算机软件模拟建模两枚固定钉，并将两枚固定钉分别装配于棘突根部两侧，使固定钉位于3D模型A与棘突根部之间，然后对3D模型A、固定钉与3D模型B进行布尔运算，获得有磨钻操作通道和固定钉钉道的导板模型。
进一步的，所述步骤c中，开槽位置位于椎板与侧块的移行处，3D模型A的外侧壁与椎弓根皮质骨相切。
进一步的，所述步骤c中，从棘突侧看，3D模型A从两边向中间倾斜5°～10°。
进一步的，所述步骤c中，所述覆盖区域的左、右侧缘超过椎板与侧块的移行处，覆盖区域的上缘和下缘与关节突关节的关节囊止点齐平，覆盖区域的上缘位于椎板上界的内侧，覆盖区域的下缘位于椎板下界的内侧，覆盖区域骑跨于棘突的根部。
进一步的，所述步骤c中，所述覆盖区域的左、右侧缘位于侧块的二分之一至三分之二处；覆盖区域的中央骑跨于棘突的根部，并包绕棘突根部周径的二分之一至三分之二。
优选的，所述步骤c中，将曲面拉伸3mm～5mm。
本发明具有以下有益效果：
医生使用本方法，可根据不同患者的颈椎情况，在术前就对开槽位置进行定位，并确定开槽的形状、尺寸等，根据采集的影像学原始数据，就可以快速地设计制备出颈椎单开门手术中用于辅助操作的导板，一方面定位准确，可以达到最佳的减压效果及减少并发症的发生，另一方面降低手术难度，减小手术操作误差，提高手术质量，并可缩短年轻外科医生的学习曲线。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是颈椎的3D重建图；
图3是开槽位置及导板覆盖区域的示意图；
图4是3D模型A的示意图；
图5是与椎板后表面相拟合的曲面的示意图；
图6是图5的侧视图；
图7是3D模型B的示意图；
图8是导板的结构示意图(无固定钉钉道)；
图9是固定钉的结构示意图；
图10导板的结构示意图(有固定钉钉道)；
1-颈椎、2-开槽位置、3-导板覆盖区域、4-3D模型A、5-曲面、6-3D模型B、7-固定钉、8-磨钻操作通道、9-固定钉钉道、10-豁口、11-棘突。
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，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例中使用的软件包括Mimics和3-matic，当然在其他实施例中也可以使用其他软件。如图1所示，本发明公开的颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，包括以下步骤：
a.数据采集：患者行颈部薄层CT扫描，获取该患者的影像学原始数据；
b.颈椎模型重建：
b1：获取储存有患者颈椎影像学原始数据的DICOM文件；
b2：将DICOM文件导入MIMICS软件，重建颈椎3D模型；
c.导板模型建立：
c1.将步骤b中的颈椎3D模型存为STL格式文件；
c2.在3-Matic软件中打开步骤c1中的STL格式文件，如图2所示，模拟切除颈椎3D模型中颈椎1的棘突11；
c3.确定开槽位置，建立磨钻操作通道的3D模型；
如图3所示，在颈椎的3D模型上模拟确定手术中需要开槽的位置，颈椎后路单开门手术中需要确定开门侧和门轴侧的开槽位置2；
如图4所示，根据两个开槽位置2，建立两个磨钻操作通道的3D模型A4，3D模型A的左、右侧壁均为平面，3D模型A4的宽度比术中使用的磨钻头的直径稍宽。
一般情况下，开槽位置2位于椎板和侧块的移行处，3D模型A4的外侧壁与椎弓根皮质骨相切；从棘突侧看，3D模型A4从两边向中间倾斜5°～10°，若患者存在解剖变异，则开槽位置2和3D模型A4的倾斜角度应视具体情况而定。
c4.确定导板模型的尺寸
根据颈椎的3D模型，确定导板模型的结构、形状和尺寸。如图3所示，要确定导板模型的结构、形状和尺寸，首先需要确定导板覆盖区域3：导板覆盖区域3的左、右侧缘超过椎板与侧块的移行处，且位于侧块的二分之一至三分之二处；导板覆盖区域3的上缘和下缘与关节突关节的关节囊止点齐平，且应位于椎板上下界的内侧；由于术中使用时导板需要骑跨于棘突11的根部，所以导板覆盖区域3留有向下的豁口10，豁口10包绕棘突11根部周径的二分之一至三分之二。
c5.如图5、6、7所示，选中导板覆盖区域3制作与椎板后表面相拟合的曲面5，作为导板的底面，将曲面5整体拉伸3mm～5mm，获得导板的3D模型B6；
c6.如图7、8所示，对3D模型A4与3D模型B6进行布尔运算得到带磨钻操作通道8的导板模型，这里的布尔运算是差集运算。
d.模型打印：将导板模型的三维数据以STL格式导出，再将其导入3D打印机中，通过3D打印机制作出实体导板。
使用导板时，充分暴露颈2椎板下缘至颈7椎板，剪除颈3至颈7棘突后，将附着于颈3至颈7椎板后表面的软组织刮除干净；此后，将导板置于椎板后表面，使导板后表面紧贴椎板后表面，豁口10骑跨于残留的棘突11的根部，然后使用磨钻在磨钻操作通道8中对椎板进行开槽，最后取下导板，进行后面的手术操作。
实施例2
如图10所示，本实施例与实施例1的区别在于：在步骤d之前进行以下操作：用3-Matic软件建立两枚固定钉7，将两枚固定钉7分别装配于豁口10两侧，使固定钉7位于磨钻操作通道8与豁口10之间，固定钉7方向与豁口10平行，垂直于椎板后表面；然后对步骤c6得到的导板模型与固定钉7进行布尔运算，获得带有磨钻操作通道8和固定钉钉道9的导板模型；最后将有有磨钻操作通道8和固定钉钉道9的导板模型的三维数据导入3D打印机，制作出实体的导板。
使用导板时，充分暴露颈2椎板下缘至颈7椎板，剪除颈3至颈7棘突后，将附着于颈3至颈7椎板后表面的软组织刮除干净；此后，将导板置于椎板后表面，使导板后表面紧贴椎板后表面，豁口10骑跨于残留的棘突11的根部，通过两侧的固定钉钉道9，用固定钉将导板固定于椎板后表面；然后使用磨钻在磨钻操作通道8中对椎板进行开槽；最后取出固定钉，取下导板，进行后面的手术操作。
实施例3
本实施例中使用的软件包括是Mimics和3-matic，当然在其他实施例中也可以使用其他软件。如图1所示，本发明公开的颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，包括以下步骤：
a.数据采集：患者行颈部薄层CT扫描，获取该患者的影像学原始数据；
b.颈椎模型重建：
b1：获取储存有患者颈椎影像学原始数据的DICOM文件；
b2：将DICOM文件导入MIMICS软件，重建颈椎3D模型；
c.导板模型建立：
c1.将步骤b中的颈椎3D模型存为STL格式文件；
c2.在3-Matic软件中打开步骤c1中的STL格式文件，如图2所示，模拟切除颈椎3D模型中颈椎1的棘突11；
c3.确定开槽位置，建立磨钻操作通道的3D模型；
如图3所示，在颈椎的3D模型上模拟确定手术中需要开槽位置2，颈椎后路单开门手术中需要确定开门侧和门轴侧开槽的位置；
如图4所示，根据两个开槽的位置、形状、尺寸，建立两个磨钻操作通道的3D模型A4，3D模型A的左、右侧壁均为平面。3D模型A4的宽度比术中使用的磨钻头的直径稍宽，3D模型A4的形状和尺寸与使用的磨钻钻头大小有关，使用不同大小的磨钻头会有不同的形状和尺寸。
一般情况下，开槽的位置位于椎板和侧块的移行处，3D模型A4的外侧壁与椎弓根皮质骨相切；从棘突侧看，3D模型A4从两边向中间倾斜5°～10°，若患者存在解剖变异，则开槽位置2和3D模型A4的倾斜角度应视具体情况而定。
c4.确定导板的结构、形状和尺寸
根据颈椎的3D模型及开槽位置2，确定导板模型的结构、形状和尺寸，如图3所示，要确定导板的尺寸，首先确定导板覆盖区域3：导板覆盖区域3的左、右侧缘超过椎板与侧块的移行处，位于侧块的二分之一至三分之二处；导板覆盖区域3的上缘和下缘与关节突关节的关节囊止点齐平，且应位于椎板上下界的内侧；由于术中使用时导板需要骑跨于棘突11的根部，所以导板覆盖区域3留有向下的豁口10，豁口10包绕棘突11根部周径的二分之一至三分之二。
c5.如图5、6、7所示，选中导板覆盖区域3制作与椎板后表面相拟合的曲面5，作为导板的底面，将曲面5整体拉伸3mm～5mm，获得导板的3D模型B6；
c6.如图9所示，用3-Matic软件建立两枚固定钉7，将两枚固定钉7分别装配于棘突11的根部两侧，使固定钉7位于3D模型A4与棘突11的根部之间，固定钉7方向与棘突11平行，垂直于椎板后表面；
c7.如图9、10所示，对3D模型A4、固定钉7与3D模型B6进行布尔运算得到有磨钻操作通道8和固定钉钉道9的导板模型，这里的布尔运算是差集运算。
d.模型打印：将c7获得的导板以STL格式导出，再将其导入3D打印机中，通过3D打印机制作出实体导板。
使用导板时，充分暴露颈2椎板下缘至颈7椎板，剪除颈3至颈7棘突后，将附着于颈3至颈7椎板后表面的软组织刮除干净；此后，将导板置于椎板后表面，使导板后表面紧贴椎板后表面，豁口10骑跨于残留的棘突11的根部，通过两侧的固定钉钉道9，用固定钉将导板固定于椎板后表面；然后使用磨钻在磨钻操作通道8中对椎板进行开槽；之后取出固定钉，取下导板，进行后面的手术操作。
当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.数据采集：获取颈椎影像学原始数据；
b.颈椎模型建立：根据颈椎影像学原始数据生成颈椎的3D模型；
c.导板模型建立：
在颈椎的3D模型上确定开槽位置，根据开门侧和门轴侧开槽的位置，建立两个磨钻操作通道的3D模型A，3D模型A的左、右侧壁均为平面；
根据颈椎的3D模型，确定导板模型的覆盖区域，根据导板模型的覆盖区域，用计算机软件制作出与椎板后表面相拟合的曲面，将曲面拉伸，获得导板的3D模型B；对3D模型A与3D模型B进行布尔运算获得有磨钻操作通道的导板模型；
d.模型打印：将导板模型的三维数据导入3D打印机，制作出导板。
2.如权利要求1所述的颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，其特征在于：所述步骤d之前进行以下操作：用计算机软件建立两枚固定钉，并将两枚固定钉分别装配于棘突根部两侧，使固定钉位于磨钻操作通道与棘突根部之间；将步骤c得到的导板模型与两枚固定钉进行布尔运算，获得有磨钻操作通道和固定钉钉道的导板模型。
3.如权利要求1所述的颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，其特征在于：所述步骤c中，对3D模型A与3D模型B进行布尔运算前，用计算机软件建立两枚固定钉，并将两枚固定钉分别装配于棘突根部两侧，使固定钉位于3D模型A与棘突根部之间，然后对3D模型A、固定钉与3D模型B进行布尔运算。
4.如权利要求1所述的颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，其特征在于：所述步骤c中，开槽位置位于椎板与侧块的移行处，3D模型A的外侧壁与椎弓根皮质骨相切。
5.如权利要求1所述的颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，其特征在于：所述步骤c中，从棘突侧看，3D模型A从两边向中间倾斜5°～10°。
6.如权利要求1所述的颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，其特征在于：所述步骤c中，所述覆盖区域的左、右侧缘超过椎板与侧块的移行处，覆盖区域的上缘和下缘与关节突关节的关节囊止点齐平，覆盖区域的上缘位于椎板上界的内侧，覆盖区域的下缘位于椎板下界的内侧，覆盖区域骑跨于棘突的根部。
7.如权利要求1所述的颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，其特征在于：所述步骤c中，所述覆盖区域的左、右侧缘位于侧块的二分之一至三分之二处；覆盖区域的中央骑跨于棘突的根部，并包绕棘突根部周径的二分之一至三分之二。
8.如权利要求1所述的颈椎单开门手术3D打印导板的制作方法，其特征在于：所述步骤c中，将曲面拉伸3mm～5mm。
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