CN105943169B - 一种3d打印的肺部肿块体外辅助定位装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置，所述定位装置采用3D打印，其包括：中心定位模块，中心定位模块内开设有进针孔道，用于穿刺针对肺部肿块进行标记时限制和稳定穿刺针的进针方向；和支脚，支脚为弯曲状，其前端与中心定位模块固定连接、末端向下弯曲与人体接触，支脚为多个且可将中心定位模块向上撑起，形成以支脚为伞架、以中心定位模块为顶部和以穿刺针为伞杆的伞状结构。本发明是采用三维重建技术和3D打印技术制作的个性化胸壁外肺部肿块辅助定位装置，定位精确，避免了手触法无法触及结节，减少了患者CT的照射量和辐射损害；同时缩短了操作时间，有效利用了医疗资源。

Description

一种3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于腔镜术中肺部肿块的定位装置，尤其涉及一种3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置及其制备方法。

背景技术

包括肺部磨玻璃结节(GGO)在内的各种肺部肿块，是胸腔镜下肺手术的手术指证之一。而对于肿块太小、位置较深的情况，常因在手术中不能直接看到肿块位置，而影响对于切除部位的判断。目前，解决这一临床问题，确定肺部肿块位置的方法主要有三种：1.术中探查定位：术中根据胸部CT在肺结节大致范围利用手触法触摸，以确定肺结节部位；2.术前CT引导下经胸壁hook-wire定位针定位肺结节：术前在CT引导下，利用hook-wire定位针经胸壁行肺穿刺。通过反复调整和摸索，使针头逐渐接近肺部肿块位置，释放“钩形”金属材质hook-wire细丝，使之停留在肿块附近定位肺部肿块位置。术中只要通过寻找hook-wire的钩针位置，便可辅助确定肿块位置，进而决定切除的肺组织范围；3.术前CT引导下经胸壁micro-coil微弹簧圈定位肺结节：与前述hook-wire法相似，术前在CT引导下利用micro-coil微弹簧圈经胸壁行肺穿刺，定位肺部位置。主要区别在于穿刺到位后所释放的异物不是金属钩，而是一个微型弹簧圈。术中主刀医生通过触摸弹簧圈所在的位置，确定所需要切除的肺组织的范围。

但现有技术存在以下技术问题：a、术中手摸法无法摸及肿块：术中通过触摸而确认肿块位置理论上是最直接、最准确的方法，然而在很多情况下术中因肺部肿块的质地偏韧、肿块体积太小、肿块位置很深和医生经验不足等各种原因，会导致手触法触摸不到或者触摸不准确，从而无法完全切除肺肿块；b、放射辐射影响：术前经CT经hook-wire定位针或micro-coil微弹簧圈引导穿刺定位，均需短期内接受多次CT，以确定定位部位，对患者造成辐射影响；c、人员配备及费用：术前经CT经hook-wire定位针或micro-coil微弹簧圈引导穿刺定位，需要至少两名有经验的医务人员操作。一方面，医务人员培训的学习曲线平缓、培养周期长；另一方面，加重了医务人员的工作量和医疗费用，增加了患者的经济负担；

现有术前定位方法耗时长，要求患者长时间以固定姿势侧卧于CT床上，经受穿刺针的反复调整和多次穿刺，非常痛苦。而对于意识不清或重症的不能配合的患者，现有技术是完全无法可行的。

发明内容

本发明为解决现有技术中的上述问题，提出一种3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置及其制备方法，本发明的体外辅助定位装置是根据患者术前的胸部CT，标记患者的肺部肿块的部位，并计算肿块的大小、深度和个数，利用CT扫描数据对患者的胸腔电脑三维重建，在电脑模型上确定肺部肿块的体表投影，以及合适的穿刺进针角度、深度；然后利用3D打印技术，根据患者胸廓表面形状、肺部肿块的体表投影位置、预先计算的进针角度和深度，打印出个性化的辅助定位装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一个方面是一种3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置，所述定位装置采用3D打印，其包括：

中心定位模块，所述中心定位模块内开设有进针孔道，用于穿刺针对肺部肿块进行标记时限制和稳定穿刺针的进针方向；和

支脚，所述支脚为弯曲状，其前端与中心定位模块固定连接、末端向下弯曲与人体接触，所述支脚为多个可将所述中心定位模块向上撑起，形成以支脚为伞架、以中心定位模块为顶部和以穿刺针为伞杆的伞状结构。

进一步地，所述支脚的个数大于等于3个。

进一步地，所述支脚的个数为4个。

进一步地，所述支脚的末端为扁平状。

进一步地，所述支脚的末端位于人体的体表标志位置，所述体表标志为胸骨上窝、胸骨角、剑突、第七颈椎、患侧胸壁第十二肋中的多个。

进一步地，所述中心定位模块为圆柱形或立方体。

进一步地，所述中心定位模块上设有用于使穿刺针固定在进针孔道内的夹紧装置。

进一步地，所述中心定位模块与所述支脚一体注塑成型。

本发明的第二个方面是提供一种如权利要求1所述的3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)根据预处理得到的具有肺部肿块的定位片图像，利用建模软件对患者胸腔和具有肿块的肺部进行模型重建，在胸腔和肺部模型上确定肺部肿块在体表的投影位置；

(2)根据预先计算的进针角度和深度，再次利用建模软件在上述胸腔和肺部模型上构建贴合的包括支脚和中心定位模块的伞状结构模型；

(3)将伞状结构模型导入打印机并进行3D打印，制得体外辅助定位装置。

进一步地，所述步骤(1)中建模软件选自3Dmax、PROE、UG、AUTOCAD或SOLIDWORK。

进一步地，所述步骤(1)定位片图像包括肺部肿块的部位、大小、深度和个数。

进一步地，所述体外辅助定位装置的材质选自ABS树脂、聚乳酸、聚乙烯醇和尼龙中的一种或几种。

本发明的第三方面是提供一种3D打印的肺部肿块体外辅助定位方法，包括以下步骤：

(1)对患者的的胸部进行CT扫描，得到肺部肿块的肺部定位片图像；

(2)根据肺部定位片图像，利用建模软件对患者胸腔和具有肺部肿块的肺部进行电脑模型重建，并在胸腔和肺部模型上确定肺部肿块在体表的投影位置；

(3)根据预先计算的进针角度和深度，采用3D打印技术根据三维重建的图像打印出符合患者胸腔特点的体外辅助定位装置；

(4)使用时，将体外辅助定位装置的支脚攀附于相对应的患者体表标志位置，使体外辅助定位装置与患者胸廓紧密贴合且无局部应力/形变，固定于患者体表；

(5)安放到位后，中心定位模块所在方位即为穿刺针的进针部位，经中心定位模块上预留的进针孔道插入穿刺针，并以定位模块上的标记点为参照，根据预先计算的数据循进针孔道轨迹插入相应深度，使针尖到达肿块位置附近；

(6)经CT扫描以确认穿刺针位置良好，患者无明显并发症迹象后，手动释放hook-wire或者弹簧圈，拔出穿刺针，消毒包扎后完成穿刺定位；

(7)在腔镜术中，通过寻找hook-wire或弹簧圈的位置，便可确定病灶方位，精确切除病变组织。

进一步地，所述步骤(1)CT扫描包括标记并计算患者肺部的肺部肿块的部位、大小、深度和个数。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明的体外辅助定位装置是根据患者术前的胸部CT和人体三维扫描仪获得的数据，利用3D打印技术制作个性化的胸壁外定位肺部肿块辅助定位器，从而做到精确定位；避免了手触法无法触及结节；减少了患者CT的照射量，减轻辐射损害；3D打印根据患者数据量身定做，穿刺精确度提高，操作时间缩短，大大减轻患者痛苦；对患者配合度要求低，可适用于不能很好配合的患者；缩短操作人员的培训时间，有效利用了医疗资源。

附图说明

图1为本发明的3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置的整体结构图；

图2为本发明的3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置的使用状态图；

其中，1-中心定位模块，2-支脚，3-进针孔道，4-穿刺针。

具体实施方式

本发明利用3D打印技术，根据患者胸廓表面形状、肺部肿块的体表投影位置、预先计算的进针角度和深度，打印出个性化的体外辅助定位装置。

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

如图1所示，本实施例提供了一种3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置，所述定位装置采用3D打印，其包括：中心定位模块1，中心定位模块1内开设有进针孔道3，用于穿刺针4对肺部肿块进行标记时限制和稳定穿刺针4的进针方向；和支脚2，支脚2为弯曲状，其前端与中心定位模块1固定连接、末端向下弯曲与人体接触，支脚2为多个且可将中心定位模块1向上撑起，形成以支脚2为伞架、以中心定位模块1为顶部和以穿刺针4为伞杆的伞状结构。

作为作为本发明的一个优选实施例，如图2所示，支脚2的个数大于等于3个，优选的是支脚2的个数为4个；支脚2的末端为扁平状；支脚2的末端位于人体的体表标志位置，体表标志为胸骨上窝、胸骨角、剑突、第七颈椎、患侧胸壁第十二肋中的多个；中心定位模块1为圆柱形或立方体；中心定位模块1上设有用于使穿刺针4固定在进针孔道3内的夹紧装置；中心定位模块1与支脚2一体注塑成型。

本实施例还提供了一种如权利要求1的3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)根据预处理得到的具有肺部肿块的定位片图像，利用建模软件对患者胸腔和具有肿块的肺部进行模型重建，在胸腔和肺部模型上确定肺部肿块在体表的投影位置；

(2)根据预先计算的进针角度和深度，再次利用建模软件在上述胸腔和肺部模型上构建贴合的包括支脚2和中心定位模块1的伞状结构模型；

(3)将伞状结构模型导入打印机并进行3D打印，制得体外辅助定位装置。

其中，步骤(1)定位片图像包括肺部肿块的部位、大小、深度和个数；体外辅助定位装置的材质选自ABS(ABS树脂)、PLA(聚乳酸)、PVA(聚乙烯醇)和Nylon(尼龙)中的一种或几种。

本实施例还提供一种3D打印的肺部肿块体外辅助定位方法，包括以下步骤：

(1)对患者的的胸部进行CT扫描，得到肺部肿块的肺部定位片图像；

(2)根据肺部定位片图像，利用建模软件对患者胸腔和具有肺部肿块的肺部进行电脑模型重建，并在胸腔和肺部模型上确定肺部肿块在体表的投影位置；

(3)根据预先计算的进针角度和深度，采用3D打印技术根据三维重建的图像打印出符合患者胸腔特点的体外辅助定位装置；

(4)使用时，将体外辅助定位装置的支脚2攀附于相对应的患者体表标志位置，使体外辅助定位装置与患者胸廓紧密贴合且无局部应力/形变，固定于患者体表；

(5)安放到位后，中心定位模块1所在方位即为穿刺针4的进针部位，经中心定位模块1上预留的进针孔道3插入穿刺针，并以中心定位模块1上的标记点为参照，根据预先计算的数据循进针孔道3轨迹插入相应深度，使针尖到达肿块位置附近；

(6)经CT扫描以确认穿刺针位置良好，患者无明显并发症迹象后，手动释放hook-wire或者弹簧圈，拔出穿刺针，消毒包扎后完成穿刺定位；

(7)在腔镜术中，通过寻找hook-wire或弹簧圈的位置，便可确定病灶方位，精确切除病变组织。

其中，步骤(1)CT扫描包括标记并计算患者肺部的肺部肿块的部位、大小、深度和个数；步骤(4)中病灶标记装置采用染色标记定位或电灼烧标记定位装置。

具体地，本发明体外辅助定位装置具备以下特征：

如图1所示，该体外辅助定位装置外观呈伞状结构，或“蜘蛛”状或章鱼状，由多个支脚2和中心定位模块1组成。支脚2的末端对应患者的体表标志，如胸骨上窝、胸骨角、剑突、第七颈椎、患侧胸壁第十二肋等，用于确定该体外辅助定位装置的安放位置。支脚2的曲率、弧度等参数根据患者实际胸廓表面情况确定。中心定位模块1为一圆柱型或立方体，其与支脚1的相对位置关系根据肿块的体表投影而定。中心定位模块1内预留有设计好的进针孔道3，根据患者CT的电脑三维重建对内部穿刺定位时穿刺针4的进针时的位置和角度进行设计，避开由于解剖原因所导致的遮挡和误区，并进行3D打印制造，计算出穿刺针4进入的深度。

使用时，将该体外辅助定位装置的支脚2按预先设定攀附于患者体表，嘱患者深吸气并屏气。由于该定位装置是根据患者胸廓外形个体化打印的，故当装置与患者胸廓紧密贴合且无局部应力/形变的情况下，说明患者体位正确，装置安装到位。安放到位后，中心定位模块1所在方位即为穿刺针4的进针部位。经中心定位模块1上预留的进针孔道3插入穿刺针4，并以穿刺针4上的标记点为参照，根据预先计算的数据和进针孔道4轨迹插入相应深度，使针尖到达肿块位置附近如图2所示，并使用中心定位模块1夹紧装置夹紧固定进针孔道4内的穿刺针。

然后，经CT证实穿刺针4针尖所处的位置良好，患者无明显并发症迹象后，手动释放hook-wire或者弹簧圈，拔出穿刺针4，消毒包扎后完成穿刺定位。在进行腔镜术的过程中，通过寻找hook-wire或弹簧圈的位置，便可确定病灶方位，精确切除病变组织。

应用实施例：

男性患者一名，年龄65岁，体检CT发现右肺中叶有磨玻璃结节影一个(CT1)。

利用患者术前CT重建胸部数字三维模型。根据数字模型进行测量和设计，结节的体表投影位于右侧腋前线第4、5肋之间；以与患者胸廓相切的平面作为基准水平面，以体表投影点为原点，规定三维坐标系：其中x轴正方向大致由患者尾端指向患者头端，y轴正方向大致由患者背侧指向患者腹侧，z周正方向大致由患者内侧指向患者外侧。进针角度与x、y、z轴正方向缩成角度分别为41°、49°、7°，进针深度相对投影点为5cm。

利用3DMax软件绘制装置草图，装置五个触手贴附患者胸壁表面走行，宽1.5cm，高1cm；末端分别对应胸骨上窝、胸骨角、剑突、第七颈椎棘突和右侧第十二肋与脊柱的交角；5条触手汇聚于体表投影点亦即中心定位模块。中心定位模块为圆柱形，高3cm直径3cm，和5只触手相连成一体。中心定位模块自上表面到下表面有一直径21G预留贯通孔道，其角度与前述进针角度相同，下端对应结节体表投影点，上端为进针孔。

将生成的三维数字模型导入打印机驱动程序，经过分层解析和内部结构计算后，用刚性透明硬质材料作为原料，用热熔融分层堆积的方法打印出成品模型。经医院供应室环氧乙烷消毒后，包装于无菌袋内备用。

患者平躺在CT机检查床上，充分暴露胸廓，右侧胸廓常规术前消毒。操作医生带无菌手套，将体外辅助定位装置从无菌袋内取出，将外辅助定位装置安置固定于患者右胸壁，支脚2放置于对应的人体体表标志位置；嘱患者深吸气后，由医生检查各体表标志对准良好，支脚不收异常应力影响，整个体外辅助定位装置能够严密贴附患侧胸廓。

取穿刺针一根，医生操作前再次检查体外辅助定位装置的位置，并用触诊法确定中心定位模块有没有位于肋骨上方或肋骨下缘靠近血管神经处。循预留孔道角度缓缓插入穿刺针，直至预定进针深度。取下定位装置后先行CT检查(CT2)，经检查确定确定穿刺针位置理想，无需任何调整，故释放弹簧圈(CT3)，拔出穿刺针，常规消毒包扎。观察半小时无并发症表现后，将患者送回病房等待择期手术。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置，其特征在于，所述定位装置采用3D打印，其包括：

中心定位模块，所述中心定位模块内开设有进针孔道，用于穿刺针对肺部肿块进行标记时限制和稳定穿刺针的进针方向；和

支脚，所述支脚为弯曲状，其前端与中心定位模块固定连接、末端向下弯曲与人体接触，所述支脚为多个且可将所述中心定位模块向上撑起，形成以支脚为伞架、以中心定位模块为顶部和以穿刺针为伞杆的伞状结构；

所述支脚的个数大于等于3个；

所述支脚的末端为扁平状；

所述定位装置由具有进针孔道的中心定位模块和若干支脚采用3D打印制备而成，包括如下步骤：

(1)根据预处理得到的具有肺部肿块的定位片图像，利用建模软件对患者胸腔和具有肿块的肺部进行模型重建，在胸腔和肺部模型上确定肺部肿块在体表的投影位置；

(2)根据预先计算的进针角度和深度，再次利用建模软件在上述胸腔和肺部模型上构建贴合的包括支脚和中心定位模块的伞状结构模型；

(3)将伞状结构模型导入打印机并进行3D打印，制得体外辅助定位装置。

2.根据权利要求1所述的3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置，其特征在于，所述支脚的末端位于人体的体表标志位置，所述体表标志为胸骨上窝、胸骨角、剑突、第七颈椎、患侧胸壁第十二肋中的多个。

3.根据权利要求1所述的3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置，其特征在于，所述中心定位模块为圆柱形或立方体。

4.根据权利要求1所述的3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置，其特征在于，所述中心定位模块上设有用于使穿刺针固定在进针孔道内的夹紧装置。

5.根据权利要求1所述的3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置，其特征在于，所述中心定位模块与所述支脚一体注塑成型。

6.根据权利要求1所述的3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置，其特征在于，所述步骤(1)中建模软件选自3Dmax、PROE、UG、AUTOCAD或SOLIDWORK。

7.根据权利要求1所述的3D打印的肺部肿块体外辅助定位装置，其特征在于，所述体外辅助定位装置的材质选自ABS树脂、聚乳酸、聚乙烯醇和尼龙中的一种或几种。