CN105741354A - 一种基于3d打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法 - Google Patents

一种基于3d打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法 Download PDF

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丁方
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Abstract

本发明涉及一种基于3D打印的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，利用人体的力线标准，采集髋关节数字成像数据，将数字成像数据进行数据处理后输入计算机辅助设计软件进行骨骼分层和定位，将数字化三维模型与人体骨骼进行1：1操作设计，根据髋关节畸形状态利用CAD进行畸形骨骼摘除，使形成的上截骨与下截骨能够进行上下匹配结合；将生成的三段截骨的成像数据输入到Materialise三维建模软件模拟人体骨骼进行3D打印出三段截骨模型，上述三段截骨模型进行匹配结合后形成术前髋关节畸形骨骼模型，基于所述骨骼模型在体外进行截骨模拟操作，能实现对要植入假体的提前塑性，真正达到个性化手术、定制化假体设计与生产。

Description

一种基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法
技术领域
本发明属于医疗技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法。
背景技术
发育性髋关节发育不良(developmentaldysplasiaofthehip，DDH)是常见髋关节畸形。其发病率高达1.3-28.5％。对于青年患者最为常用的髋臼周围截骨术是由瑞士骨科医生Ganz及其同事于1983年提出的“PAO髋臼周围截骨术”，又称Ganz髋臼周围截骨术(Periacetabularosteotomy，PAO)。SteppacherSD等应用PAO治疗有症状的DDH患者，20年的优良率达到61％。
施行PAO手术难点与高并发症的原因：首先，DDH患者骨盆及髋关节结构结构较复杂，术中暴露有限，医师寻找正确截骨路径困难，一旦截骨路径选择失误，常导致骨刀进入髋关节内损伤关节或截断后柱使骨盆稳定性丢失；其次，手术精确度要求相对较高，髋关节各项指数正常范围较窄，无论是过度旋转移位或是旋转移位不足，都将导致患者术后临床效果差及长期生存率，所以术前需要指定个性化的术前规划；再次，整个手术的截骨及旋转都需要在透视监控下完成，不仅需要医生具有丰富的经验而且增加了手术时间，也增加了患者及医护人员的辐射暴露。因此，全面认识患者畸形的程度、准确定位截骨路径、精确旋转髋臼达到良好覆盖就尤为重要，也是PAO手术成功的关键。
传统的骨科手术通过骨盆前后位片或者CT断层数据来评估患者的病情，由于丧失部分三维要素，骨骼几何形态的异常难以完全表现出来，从而产生评估误差。随着计算机技术的进步与螺旋CT完美结合，产生了计算机辅助三维重建技术。通过计算机专业软件利用CT连续断层扫描数据进行三维重建，精确地显示生物组织复杂的三维结构，为医师提供直观图像，术者根据三维模型直观了解病理解剖异常，并精确到具体数值，针对不同的病理解剖改变，制定的人体化手术治疗方案，更为客观、精确。而且可以应用计算机模拟手术操作，精确定位手术截骨路径，截骨块任意旋转、移位，从而更客观、精确的制定手术方案。
虽然通过三维重建和计算机模拟手术操作，使得医师可以指定良好的术前规划，但是由于该技术只能二维显示，手术医师在脑海里形成规划，仍然不能在实际操作中给手术提供精确定位，存在术中图像配准精度不高，尤其是对于解剖结构复杂的骨盆，由于难以确定基准骨而导致手术失误及精确度不高。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法。所述方法制作得到骨骼模型与患者髋关节畸形骨骼的大小和构造均完全一样，实现按照1:1比例进行精确制作，有利于真正达到个性化手术、定制化假体设计与生产。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，包括如下步骤：
(1)对患者髋关节进行X线全长片力线定位，并采集患者髋关节的MRI检查所生成的成像数据；
(2)将步骤(1)所述的成像数据输入三维建模软件，通过图像分割、编辑、三维计算处理，提取得到患者原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型；
(3)将所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型输入计算机辅助设计软件进行骨骼分层和定位处理，分别获得需要摘除的畸形骨骼模型图、位于所述畸形骨骼上方的上截骨模型图以及位于所述畸形骨骼下方的下截骨模型图，进一步提取所述的畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图的成像数据；
(4)将步骤(3)所述的畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图的成像数据分别输入三维建模软件，之后利用3D打印设备进行打印，分别得到畸形骨骼模型、上截骨模型和下截骨模型；
(5)将步骤(4)所述的上截骨模型、畸形骨骼模型、下截骨模型按照由上至下的顺序进行匹配结合，即得所述的术前髋关节畸形骨骼模型。
步骤(1)中，所述的成像数据为DICOM格式。
步骤(1)中，所述的成像数据包括骨骼大小和曲面参数。
步骤(2)中，所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型包括原生态的股骨、胫骨和半月板。
步骤(2)中，所述三维建模软件为Materialise三维建模软件。
步骤(3)中，所述的计算机辅助设计软件为CAD软件。
步骤(3)中，所述骨骼分层和定位处理的具体操作为：根据患者个体情况进行数字化虚拟截骨，医生根据患者情况，直接对所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型进行与真实手术方案完全相同的截骨操作。
步骤(3)中，所述的畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图的成像数据均为DICOM格式。
步骤(4)中，所述的3D打印设备为电子束选区熔化3D打印设备。
本发明的有益效果为：
本发明所述的基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，先对患者髋关节进行X线全长片力线定位以利用人体的力线标准，同时采集患者髋关节的MRI数字成像数据，之后将所述数字成像数据输入三维建模软件进行处理，提取得到患者原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型；利用计算机辅助设计软件(CAD)对所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型进行骨骼分层和定位，将数字化三维模型与人体骨骼进行1：1操作设计，目的在于：利用CAD对畸形骨骼进行摘除，分别获得畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图，并使摘除畸形骨骼后，形成的上截骨与下截骨能够进行上下匹配结合；最后，将获得的畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图的成像数据生成合成数据，并分别以DICOM格式输入到Materialise三维建模软件模拟人体骨骼进行3D打印，分别打印得到畸形骨骼模型、上截骨模型和下截骨模型；将所述的上截骨模型、畸形骨骼模型、下截骨模型按照由上至下的顺序进行匹配结合，即得所述的术前髋关节畸形骨骼模型；
本发明方法制作得到的术前髋关节畸形骨骼模型与患者髋关节畸形骨骼的大小和形态均完全一样，使用时，按照1:1比例进行精确制作，先基于上述骨骼模型在体外进行截骨模拟操作，医生根据患者情况，直接对所述术前髋关节畸形骨骼模型进行与真实手术方案完全相同的截骨操作，先取出畸形骨骼，再将取出畸形骨骼后形成的上截骨和下截骨进行匹配结合以形成相对正常的髋关节模型，根据模型选择植入假体类型。从而有利于实现对选定的植入假体进行提前塑性，真正达到个性化手术、定制化假体设计与制作；而且，医生在术前进行截骨模拟操作以及对假体进行塑性，能有效缩短实际的手术时间、减少病患出血、降低并发症率，同时也能大大降低手术中术者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。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，包括如下步骤：
(1)对患者髋关节进行X线全长片力线定位，并采集患者髋关节的MRI检查所生成的成像数据，所述成像数据包括骨骼大小和曲面参数并以DICOM格式存储；
(2)将步骤(1)所述的成像数据输入Materialise三维建模软件，通过图像分割、编辑、三维计算处理，提取得到患者原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型；所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型包括原生态的股骨、胫骨和半月板；
(3)将所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型输入CAD软件进行骨骼分层和定位处理，具体操作为：根据患者个体情况进行数字化虚拟截骨，医生根据患者情况，直接对所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型进行与真实手术方案完全相同的截骨操作；
进行骨骼分层和定位处理后，分别获得需要摘除的畸形骨骼模型图、位于所述畸形骨骼上方的上截骨模型图以及位于所述畸形骨骼下方的下截骨模型图，进一步提取所述的畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图的成像数据；
(4)将步骤(3)所述的畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图的成像数据分别输入三维建模软件，之后利用电子束选区熔化3D打印设备进行打印，设定加工工艺参数，对钛合金粉末进行电子束选区熔化快速成型，从而分别得到畸形骨骼模型、上截骨模型和下截骨模型；
(5)将步骤(4)所述的上截骨模型、畸形骨骼模型、下截骨模型按照由上至下的顺序进行匹配结合，即得所述的术前髋关节畸形骨骼模型。
实施例2
本实施例提供一种基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，包括如下步骤：
(1)对患者髋关节进行X线全长片力线定位，并采集患者髋关节的MRI检查所生成的成像数据，并以DICOM格式存储；
(2)将步骤(1)所述的DICOM格式成像数据输入Materialise三维建模软件，通过图像分割、编辑、三维计算处理，提取得到患者原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型；
(3)将所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型输入CAD软件进行骨骼分层和定位处理，具体操作为：根据患者个体情况进行数字化虚拟截骨，医生根据患者情况，直接对所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型进行与真实手术方案完全相同的截骨操作；
进行骨骼分层和定位处理后，分别获得需要摘除的畸形骨骼模型图、位于所述畸形骨骼上方的上截骨模型图以及位于所述畸形骨骼下方的下截骨模型图，进一步提取所述的畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图的成像数据，并均以DICOM格式存储；
(4)将步骤(3)所述的畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图的DICOM格式成像数据分别输入三维建模软件，之后利用电子束选区熔化3D打印设备进行打印，设定加工工艺参数，对钛合金粉末进行电子束选区熔化快速成型，从而分别得到畸形骨骼模型、上截骨模型和下截骨模型；
(5)将步骤(4)所述的上截骨模型、畸形骨骼模型、下截骨模型按照由上至下的顺序进行匹配结合，即得所述的术前髋关节畸形骨骼模型。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对患者髋关节进行X线全长片力线定位，并采集患者髋关节的MRI检查所生成的成像数据；
(2)将步骤(1)所述的成像数据输入三维建模软件，通过图像分割、编辑、三维计算处理，提取得到患者原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型；
(3)将所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型输入计算机辅助设计软件进行骨骼分层和定位处理，分别获得需要摘除的畸形骨骼模型图、位于所述畸形骨骼上方的上截骨模型图以及位于所述畸形骨骼下方的下截骨模型图，进一步提取所述的畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图的成像数据；
(4)将步骤(3)所述的畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图的成像数据分别输入三维建模软件，之后利用3D打印设备进行打印，分别得到畸形骨骼模型、上截骨模型和下截骨模型；
(5)将步骤(4)所述的上截骨模型、畸形骨骼模型、下截骨模型按照由上至下的顺序进行匹配结合，即得所述的术前髋关节畸形骨骼模型。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的成像数据为DICOM格式。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的成像数据包括骨骼大小和曲面参数。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，其特征在于，步骤(2)中，所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型包括原生态的股骨、胫骨和半月板。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，其特征在于，步骤(2)中，所述三维建模软件为Materialise三维建模软件。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的计算机辅助设计软件为CAD软件。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，其特征在于，步骤(3)中，所述骨骼分层和定位处理的具体操作为：根据患者个体情况进行数字化虚拟截骨，医生根据患者情况，直接对所述原生态的髋关节畸形骨骼数字化三维模型进行与真实手术方案完全相同的截骨操作。
8.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的畸形骨骼模型图、上截骨模型图、下截骨模型图的成像数据均为DICOM格式。
9.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的术前髋关节畸形骨骼模型制作方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的3D打印设备为电子束选区熔化3D打印设备。
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