CN106983556B - 一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯及导航植入的方法，它涉及医疗技术领域。包括以下步骤：（一）虚拟髋臼锁定重建接骨板及钉道的制作；（二）术前数据采集、虚拟骨折复位；（三）Mimics软件多段切割组合构建虚拟的锁定髋臼重建接骨板；（四）3D打印虚拟接骨板指导预弯；（五）Mimics软件设计锁定重建接骨板两端的导航模板；（六）3D打印导航模板及实施。本发明简化了虚拟设计手术方案的步骤、精准指导接骨板预弯、设计出在现实手术中操作可行性强的导航模板、实现更加精准实施内固定手术；有望降低手术难度、减少软组织破坏、骨膜剥离及重要结构损伤，减少出血及手术时间，减轻X线透视辐射伤害，减少手术并发症。

Description

一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯的方法
技术领域
本发明涉及的是医疗技术领域，具体涉及一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯及导航植入的方法；
背景技术
髋臼骨折多为高能量损伤，伤情严重，位置深、外形不规则、解剖关系复杂，手术方式千变万化、手术技术要求高，使得临床骨科医生面临诸多挑战，包括手术入路的选择、相关解剖的熟悉程度、复位技术、骨折固定技术等；传统经验手术的有限手术窗口常难以判断髋臼前后柱、四方体、关节面等解剖结构的毗邻关系，导致手术操作是间接的、非直观的，往往需要广泛的显露；而且在接骨板放置的位置、各个方向螺钉是否触碰或破入关节腔及是否全方位地固定住骨折块等方面面临诸多难题，往往使临床医师在术中多次的折弯摆放调试接骨板的位置；多次X线透视观察螺钉的方向及长度是否最佳、重复置钉导致骨质破坏、广泛的软组织切开和骨膜剥离、手术时间延长及骨折固定不牢靠等，影响手术效果及预后；常用的CT三维重建影像虽然能改善术者对髋臼骨折情况的认识和理解供手术参考，但其缺点在于静态化、平面图像化，无法让术者在术前进行骨折复位固定等手术计划的模拟操作；在实际工作中临床医生常根据CT检查等影像学结合自身对骨盆髋臼正常解剖的理解在头脑中模拟骨折复位，想象一系列手术步骤，但所获得的信息仍然有限，无法帮助确定最佳手术方案；因此，髋臼骨折手术操作存在常见问题如下：(1)内固定植入的扭曲弧度和折弯角度的准确性影响骨折复位效果；(2)术中螺钉测深及方向无法准确判断，根据术者经验判断；(3)手术显露全貌困难，手术中接骨板塑形的贴附程度严重影响到复位质量；(4)接骨板特别是锁定接骨板反复折弯延长了术中调整时间，造成内固定生物力学性能损失；(5)术中反复透视增加术者及患者射线摄入量而造成的潜在健康危害；
随着计算机技术、医学影像技术、快速建模和快速成型技术等数字技术快速发展，拥有友好界面的多种软件开始在医学骨科领域的教学、科研和临床各个领域广泛应用；数字骨科的出现，术前临床医师能够在个人电脑上通过相关医学软件三维重建，可用于创伤病情良好评估，进行骨折虚拟复位恢复其解剖结构，运用复位后模型可以对接骨板置入位置和螺钉置入方向和长度进行最优化的设计，反复进行虚拟手术演练，最终确定个性化的手术方案；但如何将数字化设计的术前规划方案精准再现是一个难题，随后兴起的3D打印技术，为数字化技术转化到临床应用架起了一座桥梁。数字化技术与3D打印技术的有机结合，为最优化内固定方案的实施提供了可能；利用数字化设计确定内固定螺钉方向和长度，并在3D打印技术辅助下实施，不再需要准备大量器械备用，省去了在术中测量时间和多次透视的烦琐步骤，大大节约了手术时间，减少了术中出血量及麻醉时间，降低了手术难度、大大提高手术成功率；最后提高了内固定的生物力学性能，达到预期的手术效果，从而促进患者更快康复。可以说，数字化设计结合3D打印技术辅助手术的效果满足了人体生理、解剖及生物力学要求；
目前能够实现的方案：1.确定置板及置钉位置方法：借助Mimics软件进行多平面三维测量确定；在骨折复位三维模型上假设重建接骨板预定置入平面，在该平面上布置一条红色曲线，根据重建接骨板的孔数尽量避开骨折线标记出预置入螺钉的位置，进行虚拟钉道模拟，根据骨折情况调整螺钉方向及长度并测量每颗螺钉进钉点至对侧骨面的距离；
具体内容见本课题组既往研究：张国栋,林海滨,陈宣煌,等.基于多平面三维测量的髋臼骨折数字化内固定植入方案[J/CD].中华临床医师杂志:电子版,2012,6(8):2010-2015.
2.接骨板预弯方法：借助Mimics软件三维切割预定置入接骨板位置的骨块，3D打印指导术前预弯；
具体内容见本课题组既往研究：吴章林,林海滨,张国栋,等.3D打印应用于髋臼骨折数字化设计的实验研究[J].中国临床解剖学杂志,2014,32(3):248-251.
以上现有技术存在以下缺陷：1.多平面三维测量及接骨板预弯方法步骤繁琐，缺乏客观性，精准性有待提高；2.3D打印技术辅助髋臼骨折手术，多采用打印整体或部分髋臼模型实体供术中参考比对，没有设计并打印导航模板辅助手术精准实施；
综上所述，本发明设计了一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯及导航植入的方法；
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯及导航植入的方法，简化了虚拟设计手术方案的步骤、精准指导接骨板预弯、设计出在现实手术中操作可行性强的导航模板、实现更加精准实施内固定手术；有望降低手术难度、减少软组织破坏、骨膜剥离及重要结构损伤，减少出血及手术时间，减轻X线透视辐射伤害，减少手术并发症；
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯及导航植入的方法，包括以下步骤：(一)虚拟髋臼锁定重建接骨板及钉道的制作：
借助Solidworks软件绘制20孔锁定重建接骨板草图：测量实体12孔锁定重建接骨板的总的弧度、角度，将接骨板分为内、中、外3个弧度(圆的直径)；总的圆心角为140°，内环直径为184mm，中环直径196mm，外环直径212mm；用圆周阵列的方式，绘制重建接骨板锁定孔及折弯口；拉伸基体，使得接骨板厚度为5mm，获得接骨板粗坯；绘制锥形螺纹孔，锥形螺纹线设置为螺距0.6mm，角度7°，螺纹深0.2mm；为接骨板加上圆角，半径为1mm；绘制锁定重建接骨板的钉道，直径为2.2mm，与接骨板背面垂直，长度为80+40mm；将锁定重建接骨板及钉道以STL格式文件输出至Mimics软件中；
(二)术前数据采集、虚拟骨折复位：
术前进行髋臼连续薄层CT扫描。扫描的参数为130KV、21.6mAs，螺距0.625mm，像素512×512，将CT扫描后的Dicom格式文件输入至Mimics软件，三维重建髋臼模型，虚拟骨折复位；
(三)Mimics软件多段切割组合构建虚拟的髋臼锁定重建接骨板：
1.引入带钉道的20孔重建接骨板；Mimics软件菜单操作Cut Orthogonal toScreen，将骨盆均分为左右2部分，以有利于重建接骨板精准安置；菜单命令Load STL，用Move&Rotate命令将重建接骨板初步安置好；
2.确定重建接骨板长度，菜单命令Cut Orthogonal to Screen，切断接骨板至所需长度，不需要的重建接骨板残段，可予删除，菜单命令Delete；
3.切割重建接骨板，根据重建接骨板位置、重建接骨板折弯口位置、骨折线位置与周围骨质的形态学特征，选择折弯点并切割，菜单命令Cut Orthogonal to Screen；
4.第一切割段位置调整，菜单操作Move&Rotate命令；这一步操作仅需考虑第一切割段位置进行移动及转动，而重建接骨板的其余部分无需考虑；
5.第二切割段位置调整；菜单操作Cut Orthogonal to Screen，以Move&Rotate命令将第二切割段移动/转动至第一切割段的切缘；
6.在Rotate状态下，将旋转点移动至第二切割段与第一切割段的切面的中点；
7.调整第二切割段位置，Move&Rotate命令；仅需考虑第二切割段及其钉道与与骨及骨折线的情况，精准调节；
8.同上步骤，完成第三、第四或更多切割段的分割及位置调整，使得接骨板位置及钉道方向可以良好固定骨折块；以钉道来决定接骨板的位置及塑型，并不要求接骨板与骨面良好敷贴，但是要求钉道能最大限度固定好骨折；
9.选择钉道；Split命令，将各切割段分为各个独立的接骨板及钉道；
10.在Move&Rotate状态下，以Ctrl+的方式进行多选，将不打算进行置钉的钉道删除(Delete)；检查钉道穿出处位置是否满意，是否良好固定住了关键骨折块；
11.合并各切割段为一个独立虚拟接骨板三维模型，用于输出STL文件进行3D打印；合并钉道为一个三维模型，用于导航模板设计；
(四)3D打印虚拟接骨板指导预弯：
虚拟接骨板三维模型输出至3D打印机进行实体打印，用以指导锁定重建接骨板的精准预弯；使重建接骨板与模型严格吻合，主要判断方法包括接骨板与模型敷贴程度≤1mm，接骨板、钉孔边缘与模型边缘重叠；
(五)Mimics软件设计锁定重建接骨板两端的导航模板：
1.设计导航模板A
(1)卡位模块A设计；在重建接骨板一端(含2至3个钉道)预放置的骨面，以CutOrthogonal to Screen命令切取卡位模块，3至4次复制模块分别进行拔模(Move)，布尔运算(Boolean)减去骨获得卡位模块A；
(2)设计支持柱；在卡位模块A的钉道上布置不等长的支持柱；不等长的支持柱可以避免影响导航模板卡位的周围软组织因素；
(3)布尔运算：菜单操作Boolean：(卡位模块+支持柱)-(骨+钉道)；得到导航模板A；
2.同样方法在重建接骨板另一端(含2至3个钉道)预放置的骨面进行卡位模块B及相应支持柱的设计，布尔运算获得导航模板B；
(六)3D打印导航模板及实施：
将导航模板A、B输出至3D打印机进行实体打印；打印时必须注意：1.导航模板两个接触面应该在朝上或者在侧面，不可朝向打印平台底部，以免因为打印支持柱(Support)影响打印精度；2.导航模板与骨面接触面同样不能朝下放置；3.使用打印预览(Preview)观察钉道是否堵塞；
实施时导航模板以低温等离子消毒后，分别放入术野与骨面卡位，以电钻从各自导航模板支持柱钉道置入克氏针(直径1.5mm)，将克氏针剪短保留30mm，拔出导航模板，将预弯好的锁定重建接骨板套入克氏针，使克氏针位于所在锁定孔的正中圆心，克氏针换成锁定螺钉，继续完成全部内固定手术；
本发明具有以下有益效果：1.以SolidWorks制作锁定重建接骨板及钉道，具有精准、清晰直观的优点，仅需制作一块20孔长锁定重建接骨板，即可以在Mimics中任何剪裁成所需的长度，不需要通过测量长度之后再来制作锁定接骨板的孔数及长度；
2.同时对重建接骨板及其锁定螺钉的钉道进行处理；避免了繁琐的多平面三维测量确定置板及置钉位置步骤，避免了布置钉道的繁琐步骤，在完成切割段的拼接时，钉道同时完成精准布置；本方法并不需要按照设计100％复位骨折，正是由锁定接骨板钉道固定、不需要与骨面紧密敷贴的特性所决定的；
3.3D打印虚拟接骨板指导现实手术接骨板预弯，两者近乎一致，易于操作，效果更加精准；
4.接骨板两端小导航模板的设计只需导航关键钉道的方向，从容易显露的手术窗进行模块卡位导航，当预弯好的接骨板恰好能套入由两个导航模板置入的克氏针中，说明：(1)骨折复位达到虚拟骨折复位效果；(2)接骨板在预设位置；(3)因锁定接骨板本身的锁定特性，使得经锁定导向器置入的锁定螺钉将与设计钉道一致；即具有判断骨折复位效果、导航重建接骨板位置及钉道方向的作用，不用全部螺钉的导航即可获得重建接骨板全长的导航效果，因而无需打开有重要解剖结构的手术窗，减少软组织破坏及重要结构损伤，减少出血及手术时间，具有创伤小的优点，更加符合生物学内固定原则；
5.导航模板辅助精准手术操作，实现少辐射甚至无辐射，减轻术者、患者的辐射伤害；
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明实施例的Solidworks软件绘制20孔锁定重建接骨板及钉道示意图；
图2为本发明实施例的Mimics软件三维重建等操作示意图；
图3为本发明实施例的5个切割段调整合并为一个独立三维模型示意图(删除不必固定的钉道)；
图4为本发明实施例的检查钉道穿出处位置是否满意，是否良好固定住了关键骨折块示意图；
图5为本发明实施例的接骨板3D打印文件示意图；
图6为本发明实施例的导航模板应用效果图；
图7为本发明实施例的两个导航模板3D打印文件示意图；
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明；
参照图1-7，本具体实施方式采用以下技术方案：一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯及导航植入的方法，包括以下步骤：
(一)虚拟髋臼锁定重建接骨板及钉道的制作；
(二)术前数据采集、虚拟骨折复位；
(三)Mimics软件多段切割组合构建虚拟的髋臼锁定重建接骨板；
(四)3D打印虚拟接骨板指导预弯；
(五)Mimics软件设计锁定重建接骨板两端的导航模板；
(六)3D打印导航模板及实施；
本具体实施方式的1.数字化：借助SolidWorks软件绘制内固定物零件文件(锁定重建接骨板及螺钉)、Mimics软件设计术前方案及3D打印导向模板，用于辅助髋臼骨折内固定手术实施；2.导航植入：根据接骨板外形及所要放置的骨面解剖结构，设计能导引接骨板放入及定向螺钉置入的辅助导板，3D打印出导板实体，用于辅助内固定手术精准实施；
其中1.数字化骨科术前设计：将数字医学技术与骨科临床医学紧密结合，充分利用医学领域多模图像数据，在计算机帮助下，对医学图像信息进行处理后结合立体定位系统，显示和定位人体骨骼的解剖结构，再由计算机规划手术路径，制定合理定量的手术方案，术前手术模拟；
2.Mimics软件：是Materialise公司(比利时)发明的一种医学影像控制系统，它是模块化结构的软件，可以根据用户的不用需求有不同的搭配；Mimics是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据(CT、MRI)，建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理；
3.3D打印：出现在20世纪90年代中期，是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置；它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物；即是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术；
实施例1：以一例AO分型C1.3(后柱骨折合并后壁骨折，前柱多发性骨折，骨折线高位)髋臼粉碎性骨折病例说明本发明用于髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯及导航植入的设计方法，具体通过如下步骤进行；
1、虚拟髋臼锁定重建接骨板的制作；见图1；
2、术前数据采集、虚拟骨折复位；见图2；
3、Mimics软件多段切割组合构建虚拟的髋臼锁定重建接骨板；见图3和图4；
4、虚拟接骨板三维模型输出至3D打印机进行实体打印，指导预弯；见图5；
5、导航模板设计及实施；见图6和图7；
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点；本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内；本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(一)虚拟髋臼锁定重建接骨板及钉道的制作；
(二)术前数据采集、虚拟骨折复位；
(三)Mimics软件多段切割组合构建虚拟的髋臼锁定重建接骨板；
(四)3D打印虚拟接骨板指导预弯；
(五)Mimics软件设计锁定重建接骨板两端的导航模板；
(六)3D打印导航模板；
所述的步骤(一)借助Solidworks软件绘制20孔锁定重建接骨板草图：测量实体12孔锁定重建接骨板的总的弧度、角度，将接骨板分为内、中、外3个弧度；总的圆心角为140°，内环直径为184mm，中环直径196mm，外环直径212mm；用圆周阵列的方式，绘制重建接骨板锁定孔及折弯口；拉伸基体，使得接骨板厚度为5mm，获得接骨板粗坯；绘制锥形螺纹孔，锥形螺纹线设置为螺距0.6mm，角度7°，螺纹深0.2mm；为接骨板加上圆角，半径为1mm；绘制锁定重建接骨板的钉道，直径为2.2mm，与接骨板背面垂直，长度为80+40mm；将锁定重建钢板及钉道以STL格式文件输出至Mimics软件中；
所述的步骤(二)术前进行髋臼连续薄层CT扫描,扫描的参数为130KV、21.6mAs，螺距0.625mm，像素512×512，将CT扫描后的Dicom格式文件输入至Mimics软件，三维重建髋臼模型，虚拟骨折复位；
所述的步骤(三)，具体包括以下步骤：(1).引入带钉道的20孔重建接骨板：Mimics软件菜单操作Cut Orthogonal to Screen，将骨盆均分为左右2部分，以有利于重建接骨板精准安置；菜单命令Load STL，用Move&Rotate命令将重建接骨板初步安置好；
(2).确定重建接骨板长度，菜单命令Cut Orthogonal to Screen，切断接骨板至所需长度，不需要的重建接骨板残段，可予删除，菜单命令Delete；
(3).切割重建接骨板，根据重建接骨板位置、重建接骨板折弯口位置、骨折线位置与周围骨质的形态学特征，选择折弯点并切割，菜单命令Cut Orthogonal to Screen；
(4).第一切割段位置调整，菜单操作Move&Rotate命令；这一步操作仅需考虑第一切割段位置进行移动及转动，而重建接骨板的其余部分无需考虑；
(5).第二切割段位置调整；菜单操作Cut Orthogonal to Screen，以Move&Rotate命令将第二切割段移动/转动至第一切割段的切缘；
(6).在Rotate状态下，将旋转点移动至第二切割段与第一切割段的切面的中点；
(7).调整第二切割段位置，Move&Rotate命令；仅需考虑第二切割段及其钉道与骨及骨折线的情况，精准调节；
(8).重复步骤(1)-(7)，完成第三、第四或更多切割段的分割及位置调整，使得接骨板位置及钉道方向可以良好固定骨折块；以钉道来决定接骨板的位置及塑型，并不要求接骨板与骨面良好敷贴，但是要求钉道能最大限度固定好骨折；
(9).选择钉道：Split命令，将各切割段分为各个独立的接骨板及钉道；
(10).在Move&Rotate状态下，以Ctrl+的方式进行多选，将不打算进行置钉的钉道删除(Delete)；检查钉道穿出处位置是否满意，是否良好固定住了关键骨折块；
(11).合并各切割段为一个独立虚拟接骨板三维模型，用于输出STL文件进行3D打印；合并钉道为一个三维模型，用于导航模板设计。
2.根据权利要求1所述的一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯的方法，其特征在于，所述的步骤(四)虚拟接骨板三维模型输出至3D打印机进行实体打印，用以指导锁定重建接骨板的精准预弯；使重建接骨板与模型严格吻合，判断方法包括接骨板与模型敷贴程度≤1mm，接骨板、钉孔边缘与模型边缘重叠。
3.根据权利要求1所述的一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯的方法，其特征在于，所述的步骤(五)具体包括以下步骤：
(1)设计导航模板A；
(2)同样方法在重建接骨板另一端预放置的骨面进行卡位模块B及相应支持柱的设计，布尔运算获得导航模板B。
4.根据权利要求3所述的一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯的方法，其特征在于，所述的步骤(1)包括以下步骤：(11)卡位模块A设计：在重建接骨板一端预放置的骨面，以Cut Orthogonal to Screen命令切取卡位模块，3至4次复制模块分别进行拔模(Move)，布尔运算(Boolean)减去骨获得卡位模块A；
(12)设计支持柱：在卡位模块A的钉道上布置不等长的支持柱；不等长的支持柱可以避免影响导航模板卡位的周围软组织因素；
(13)布尔运算：菜单操作Boolean：(卡位模块+支持柱)-(骨+钉道)；得到导航模板A。
5.根据权利要求1所述的一种髋臼骨折内固定锁定重建接骨板数字化预弯的方法，其特征在于，所述的步骤(六)将导航模板A、B输出至3D打印机进行实体打印。
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