CN105982722A - 一种数字化骨骼手术修复方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于数字化骨骼修复手术方法和系统。该方法和系统包括以下步骤：针对骨科患者的患病部位进行CT扫描，获得相应的影像数据。利用患者CT影像进行三维重建和复位，在模型的参数指导下完成植入物的设计、螺钉孔的位置确定、螺钉型号选型等工作，最后采用3D打印技术打印患者部位的仿真模型(包括手术辅助导板)，通过对仿真模型进行修复、定位、固定等一系列的术前模拟，进一步提高骨科患者手术的可操作性和精度，降低手术风险，同时也为患者个性化定制提供了新的实践方法。

Description

一种数字化骨骼手术修复方法和系统

技术领域

本发明属于骨科手术领域，涉及CT数据三维重建，手术导板设计，植入物虚拟装配，3D打印病体模型，辅助术前规划，手术模拟。

技术背景

目前，传统的骨骼修复手术过程是，医生根据患者拍摄患病部位的CT影像数据，凭借经验判断骨骼的形状、大小、周围组织及损伤情况，给患者制定手术方案。由于这个过程没有精确的模型指导，完全依赖于医生的主观判断，特别对于高难度、组织结构复杂的骨科手术，仅凭医生的经验往往会带来致命的危险，易于损伤神经、血管、病体周围的重要脏器，增加了手术的风险。

传统的骨骼修复手术中植入物和手术辅助导板的设计主要是借助第三方工程软件进行，设计过程较复杂，而且不能与患者的CT数据有机的结合在一起，导致设计的模型精度不够，病人术后康复缓慢。

发明内容

本发明提供了一种数字化骨骼手术修复方法和系统，改善现有的骨骼手术修复方法：医生根据患者的CT数据，判断受损部位的严重情况，制定手术方案和实施手术，手术方案不直观且没有考虑到实施的可操作性，给手术带来较大的风险；以及现有的计算机辅助软件所提供的骨骼修复手术方法，缺乏植入物的设计、虚拟装配、手术辅助导板制作等功能，而且三维重建后的模型不能直接输出到快速成型设备中，以便于快速制造出模型来用于术前模拟。

本发明的目的在于提供一种数字化骨骼修复手术方法，该方法包括以下步骤：

对患者患病部位进行扫描，获得患者影像数据；

导入患者CT数据，根据患者局部的骨组织、软组织、血管、神经等进行组织体积分割；

将患病部位进行三维重建和复位；

根据构建的三维模型进行植入物设计、螺钉孔位置确定、螺钉型号选择、植入物虚拟装配、手术导板设计等工作；

将患者骨头三维重建模型、植入物模型、手术辅助导板模型导入快速成型设备中；

利用快速成型设备，制作患者患病部位的骨头模型、植入物模型、手术辅助导板；

使用快速成型后的模型进行术前规划，手术模拟。

本发明的另一目的在于提供一种数字化骨骼修复手术设计系统，包括：

CT数据导入功能；

组织体积分割功能，采用阈值分割法对体组织数据进行分割；

体数据表面光滑、简化等功能；

三维显示功能，将患者骨组织、软组织三维的显示在计算机中；

具有用户实时交互功能，提供物体的鼠标拾取、鼠标旋转、鼠标取点、组织表面坐标点的拾取、三维测量等实时交互操作；

通过轮廓线、标志点等设计植入物的功能；

具有植入物虚拟装配功能。

本发明的有益效果在于：

医生在术前可以根据快速制造的模型进行术前模拟，根据模拟结果，使得手术路径的选择及细节问题的处理更加面面俱到，制定出更加合理的手术方案，达到微创手术，精准骨骼复位的效果。整个手术过程采用数字化设计和制作，提高了植入物和手术辅助导板等零件精确度，大大降低了手术的风险；手术导板的快速制作，缩短了整个手术的周期；3D打印实物模型，让医患之间的沟通更加简单直接，术者信心增加。本方法和系统可广泛应用于骨骼修复手术领域。

整个骨骼修复手术过程中引入快速成型设备，加快了植入物、手术导板等零件的快速制造过程，加工周期缩短至两三天，为术前实物模拟奠定了基础。采用快速成型设备制作的植入物模型、手术导板等零件与三维图形数据误差小，贴合更加吻合。

附图说明

图1为一种数字化骨骼修复手术方法的流程图；

图2为一种数字化骨骼修复手术系统的结构框图。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

图1示出了本发明实施例的实现流程。

一种数字化骨骼修复手术方法，该方法包括以下步骤：

在步骤11中，对患者受损部位进行扫描，获得影像数据；

在步骤12中，根据CT数据进行三维重建和复位；

在步骤13中，根据三维重建的模型设计植入物、手术辅助导板、固定方式等；

在步骤14中，将植入物、手术辅助导板等零件模型数据导入快速成型设备，进行快速制造；

在步骤15中，利用快速成型制造出的实物模型，进行术前模拟，根据模拟结果，制定出合理的手术方案。

在本发明实施例中，对利用患者受损部位CT图像进行三维重建和复位的实现方法为：导入患者CT数据，对患者的数据进行阈值分割，构建骨结构的三维模型；将患者的三维骨结构和软组织状况真实完整地显示在计算机中；通过对物体的鼠标拾取、鼠标旋转、鼠标取点、组织表面坐标点的拾取、三维测量等实时交互操作，实现骨骼手术的模拟。

在本发明实施例中，制作骨骼实物模型、植入物实物模型、手术辅助导板的实现方法为：提取骨骼、植入物、手术辅助导板等零件的三维模型信息，对模型进行光滑、简化等处理后，将骨骼、植入物、手术辅助导板等模型三维数据导入快速成型设备，快速制造出骨骼、植入物的实物模型和手术辅助导板。

图2示出了本发明实例提供的数字化骨骼修复手术设计系统的结构框图，该系统包括：

三维重建模块21，利用患者CT图像构建三维模型。该模块包括数据导入导出、对体组织数据进行阈值分割、区域分割；

体组织数据处理模块22，用于对体组织数据进行光滑、简化、网格重建；

三维显示模块23，用于对物体鼠标拾取、鼠标旋转、鼠标取点、组织表面坐标点的拾取、三维测量等，在三维视图上任意选择要观察截面的位置，得到任意局部的骨组织结构、神经等信息；

虚拟装配模块24，用于对植入物、手术导板、固定螺钉等零件进行虚拟装配，以检查模型间匹配程度及是否干涉；

快速成型模块25，用于骨骼、植入物、手术辅助导板等模型快速成型制造。

Claims (4)

1.一种数字化骨骼修复手术方法和系统，其特征在于该方法和系统包括以下步骤：

对患者患病部位进行扫描，获得患者影像数据；

导入患者CT数据，根据患者局部的骨组织、软组织、血管、神经等进行组织体积分割；

将患病部位进行三维重建和复位；

根据构建的三维模型进行植入物设计、螺钉孔位置确定、螺钉型号选择、植入物虚拟装配、手术导板设计等工作；

将患者骨骼的三维重建数据模型、植入物数据模型、手术辅助导板数据模型导入快速成型设备中；

利用快速成型设备，制造出患者患病部位的骨骼实物模型、植入物实物模型、手术辅助导板实物模型；

使用快速成型后的实物模型进行术前规划和手术模拟。

2.根据权利要求1所述的方法和系统，其特征在于：在上述所述的步骤中，也可以将三维重建的模型导入其他有限元分析软件中，对患者部位的植入物进行受力分析，以验证植入物的可靠性。

3.根据权利要求1所述的方法和系统，其特征在于：所述的快速成型设备为3D打印机。

4.一种数字化骨骼修复手术方法和系统，其特征在于，该方法和系统包括以下功能：

CT数据导入功能；

组织体积分割功能，采用阈值分割法对体数据进行分割；

体数据表面光滑、简化等功能；

三维显示功能，将患者骨组织、软组织三维的显示在计算机中；

具有用户实时交互功能，提供物体的鼠标拾取、鼠标旋转、鼠标取点、组织表面坐标点的拾取、三维测量等实时交互操作；

通过轮廓线、标志点等设计植入物的功能；

具有植入物虚拟装配功能。