CN105844702A - 一种基于3d打印技术的术前膝关节畸形骨骼模型制作方法 - Google Patents

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

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Abstract

本发明涉及一种基于3D打印的术前膝关节畸形骨骼模型制作方法，利用人体的力线标准，采集膝关节数字成像数据，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，根据膝关节畸形状态利用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膝关节畸形骨骼模型，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打印技术的术前膝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打印技术的术前膝关节畸形骨骼模型制作方法。
背景技术
骨关节炎、类风湿等引发的膝关节畸形是现在中老年人所患较为常见的慢性关节疾病，而目前为止，全膝关节置换手术已经成为比较有效的治疗方式。
对于复杂的骨骼手术现在医学更多是在CT或MRI数据上进行分析与讨论，缺乏直观性和可操作性；而且由于人体膝关节骨骼的单一性和不可复制性使得现代医学在进行全膝置换手术的过程中，大量时间消耗在对钛板、可吸收板等假体或治疗板的塑性上，增加了患者手术时间，增大并发症几率；而手术骨骼模型制备能直接从二维图像转换为三维实体，可视性更好并且能够直接模拟治疗、研讨手术方案，从而实现提前对要植入的假体或治疗板进行塑性，缩短手术时间、减少病患出血、降低并发症几率，因此对手术骨骼模型制备技术的研究具有重大意义。
现有技术中使用的骨骼模型是标准化生产的通用产品，现大多采用数控精加工传统生产方式制造，由于生产设备的原因，不仅生产周期长、成本高，而且难以达到个性化手术、定制化假体设计与生产的最高治疗理念。
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打印技术的术前膝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膝关节畸形骨骼的大小和构造均完全一致，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打印技术的术前膝关节畸形骨骼模型制作方法，包括如下步骤：
(1)对患者膝关节进行X线全长片力线定位，并采集患者膝关节的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膝关节畸形骨骼数字化三维模型；
(3)将所述原生态的膝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，即得所述的术前膝关节畸形骨骼模型。
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，所述原生态的膝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膝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打印技术的术前膝关节畸形骨骼模型制作方法，先对患者膝关节进行X线全长片力线定位以利用人体的力线标准，同时采集患者膝关节的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膝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)对所述原生态的膝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，即得所述的术前膝关节畸形骨骼模型；
本发明方法制作得到的术前膝关节畸形骨骼模型与患者膝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，直接对所述术前膝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膝关节模型，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打印技术的术前膝关节畸形骨骼模型制作方法，包括如下步骤：
(1)对患者膝关节进行X线全长片力线定位，并采集患者膝关节的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膝关节畸形骨骼数字化三维模型；所述原生态的膝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)将所述原生态的膝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膝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，即得所述的术前膝关节畸形骨骼模型。
实施例2
本实施例提供一种基于3D打印技术的术前膝关节畸形骨骼模型制作方法，包括如下步骤：
(1)对患者膝关节进行X线全长片力线定位，并采集患者膝关节的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膝关节畸形骨骼数字化三维模型；
(3)将所述原生态的膝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膝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，即得所述的术前膝关节畸形骨骼模型。
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打印技术的术前膝关节畸形骨骼模型制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对患者膝关节进行X线全长片力线定位，并采集患者膝关节的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膝关节畸形骨骼数字化三维模型；
(3)将所述原生态的膝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，即得所述的术前膝关节畸形骨骼模型。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的术前膝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打印技术的术前膝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打印技术的术前膝关节畸形骨骼模型制作方法，其特征在于，步骤(2)中，所述原生态的膝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打印技术的术前膝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打印技术的术前膝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打印技术的术前膝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膝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打印技术的术前膝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打印技术的术前膝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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