CN107080605B - 3d打印个体化定制骶骨重建板的方法及骶骨重建板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D打印个体化定制骶骨重建板的方法及骶骨重建板，所述方法包括：获取要进行重建的骶骨范围模拟数据及重建侧盆骨的模拟数据；对骶骨背侧外形进行光滑处理及修补，输出骶骨重建板的初稿；利用半骨盆假体的数据与骶骨重建板的初稿数据在仿真软件中进行仿真组配；在骶骨重建板上设计螺栓基座；在骶骨重建板骨贴合面设计1mm的金属网格骨贴合面；设计骶骨重建板上的钉孔；形成骶骨重建板毛坯；将成品的骶骨重建板与半骨盆假体进行手术模拟匹配。本发明能够最大程度地保证半骨盆假体的固定，避免骶骨或骨盆假体靠周围软组织或脊柱的钉棒系统而造成固定不牢的问题。

Description

3D打印个体化定制骶骨重建板的方法及骶骨重建板

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种3D打印个体化定制骶骨重建板的方法及骶骨重建板。

背景技术

骨科骶骨肿瘤的病例相对来说比较少见，因而市面上缺乏相应的骶骨重建假体，而不论是原发性肿瘤，还是转移性肿瘤，骶骨肿瘤往往需要进行切除。骶骨肿瘤切除后缺乏合适假体进行重建。现有定制假体，缺乏与医生之间的医工交流，所设计产品很难达到医生要求，且定制假体的设计周期较长，制造成本较高，常规生产手段制造出的假体表面处理效果较差，骨长入效果不良。

有鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种3D打印个体化定制骶骨重建板的方法及骶骨重建板，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种运用3D打印技术，根据患者的骨骼缺损情况和骶骨解剖特点来进行快速个体化设计制造，真正实现患者解剖结构和功能的重建的3D打印个体化定制骶骨重建板的方法及骶骨重建板。

本发明3D打印个体化定制骶骨重建板的方法，包括：

获取患者骨盆及骶骨的CT断层扫描图像，确认骨盆、骶骨的肿瘤侵袭情况，根据肿瘤侵袭情况，确定要切除的骶骨范围；

将整个骶骨图像数据和骨盆图像数据进行分离，分离后分别重建左右侧的半骨盆图像数据，将骶骨图像数据导出到工业软件中进行镜像，在工业软件中修补患侧骶骨的外形，对骶骨背侧外形进行光滑处理及修补；

利用工业软件，根据肿瘤侵袭情况及正常骶骨边界，确定仿生骶骨贴合板的边界，在仿生骶骨贴合板的边界对应的骶骨范围内进行骶骨图像数据增厚5mm处理，得到仿生人体骶骨背面形状的仿生骶骨贴合板的图像数据；

利用工业软件，将半骨盆图像数据与仿生骶骨贴合板的图像数据进行仿真组配，得到仿生骶骨贴合板上螺栓基座的图像数据，所述螺栓基座用于将仿生骶骨贴合板与半骨盆假体进行固定；

利用工业软件，根据仿生骶骨贴合板的图像数据及骶骨图像数据，根据骶骨残余的骨质，确定仿生骶骨贴合板上的钉孔图形数据，使钉子通过骶骨骨质，达到牢固的固定效果，同时不能穿出骨质对周围组织造成损伤；

采用3D打印技术对仿生骶骨贴合板进行打印，形成仿生骶骨贴合板，其中所述仿生骶骨贴合板上设有螺栓基座和钉孔；

在仿生骶骨贴合板与骶骨进行贴合的面上安装1mm厚的金属网格骨贴合面，形成骶骨重建板成品。

进一步地，所述的金属网格骨贴合面的网孔孔隙率在70-80％之间。

进一步地，还包括将打印完成后超声去除仿生骶骨贴合板中的多余粉末，将仿生骶骨贴合板非骨接触面、螺栓基座及螺孔抛光。

本发明3D打印个体化定制骶骨重建板，包括用于贴合安装在骶骨上的仿生骶骨贴合板，所述仿生骶骨贴合板的形状仿生人体骶骨背面形状而成，所述仿生骶骨贴合板与骶骨贴合的面上设有金属网格骨贴合面，其中所述金属网格骨贴合面的面积至少占仿生骶骨贴合板整体面积的1/3至1/2，所述仿生骶骨贴合板上设有固定钉孔以及用于固定骨盆假体的基座；

其中，所述的骶骨重建板采用权利要求1至3任一所述的3D打印个体化定制骶骨重建板的方法制备而成。

进一步地，所述仿生骶骨贴合板的厚度为5mm；所述金属网格骨贴合面的厚度为1mm。

进一步地，所述的仿生骶骨贴合板的长、宽尺寸根据患者骶骨的大小和肿瘤的侵蚀情况，分别包括大、中、小三个不同的尺寸规格。

进一步地，仿生骶骨贴合板的长根据骶骨的宽度确定，仿生骶骨板的长度大于或等于骶骨的宽度1至5mm，仿生骶骨板的宽度根据骶骨可暴露的高度确定。

进一步地，小规格用于骶骨切除1/3以内或未受到肿瘤肿瘤侵袭的骶骨。

进一步地，仿生骶骨贴合板贴合在骶骨上时，所述固定钉孔的设置位置避开神经根。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明针对骨盆肿瘤，骶骨部分被侵袭，手术保留部分骶骨的情况，设计了骶骨重建板来达到重建骶骨，固定人工半骨盆的目的。通过这种仿生假体，能够最大程度地保证半骨盆假体的固定，避免骶骨或骨盆假体靠周围软组织或脊柱的钉棒系统而造成固定不牢的问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明3D打印个体化定制骶骨重建板的俯视图；

图2是本发明3D打印个体化定制骶骨重建板的仰视图；

图3是本发明3D打印个体化定制骶骨重建板的前视图；

图4是本发明3D打印个体化定制骶骨重建板的后视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明3D打印个体化定制骶骨重建板的方法，包括：

获取患者骨盆及骶骨的CT断层扫描图像，确认骨盆、骶骨的肿瘤侵袭情况，根据肿瘤侵袭情况，确定要切除的骶骨范围；

将整个骶骨图像数据和骨盆图像数据进行分离，分离后分别重建左右侧的半骨盆图像数据，将骶骨图像数据导出到工业软件中进行镜像，在工业软件中修补患侧骶骨的外形，对骶骨背侧外形进行光滑处理及修补；

利用工业软件，根据肿瘤侵袭情况及正常骶骨边界，确定仿生骶骨贴合板的边界，在仿生骶骨贴合板的边界对应的骶骨范围内进行骶骨图像数据增厚5mm处理，得到仿生人体骶骨背面形状的仿生骶骨贴合板的图像数据；

利用工业软件，将半骨盆图像数据与仿生骶骨贴合板的图像数据进行仿真组配，得到仿生骶骨贴合板上螺栓基座的图像数据，所述螺栓基座用于将仿生骶骨贴合板与半骨盆假体进行固定；

利用工业软件，根据仿生骶骨贴合板的图像数据及骶骨图像数据，根据骶骨残余的骨质，确定仿生骶骨贴合板上的钉孔图形数据，使钉子通过骶骨骨质，达到牢固的固定效果，同时不能穿出骨质对周围组织造成损伤；

采用3D打印技术对仿生骶骨贴合板进行打印，形成仿生骶骨贴合板，其中所述仿生骶骨贴合板上设有螺栓基座和钉孔；

在仿生骶骨贴合板与骶骨进行贴合的面上安装1mm厚的金属网格骨贴合面，形成骶骨重建板成品。

参见图1和图4，本发明3D打印个体化定制骶骨重建板，其为整个一体结构，包括仿生骶骨贴合板1，金属网格骨贴合面2，半骨盆假体固定螺栓基座3，骶骨固定螺孔4。所述的仿生骶骨贴合板是骶骨固定的主要承力结构，其形状是根据骶骨背面的生理曲度进行设计，便于手术时安放，仿生骶骨贴合板上设计有螺钉孔，便于使用松质骨螺钉进行骶骨板假体的初期固定。其骶骨背面贴合面的金属网格骨贴合面则是保证仿生形状的基础上，通过骶骨自身骨质的长入，达到长期固定的效果。半骨盆假体连接柱用于将半骨盆假体和骶骨重建板链接到一起，起到固定半骨盆假体的作用。

本发明一较佳实施例所述的3D打印个体化定制骶骨重建板的方法，包括：

S1:采集患者骨盆及骶骨的CT断层扫描图像，扫描时需将骶骨及与骶骨连接处的骨肿瘤侵袭缺损部位扫描完整，便于后期处理。获取Dicom格式图像后导入到Mimics进行重建骶骨和骨盆，通过MRI、病理结果等确认骨盆、骶骨的肿瘤侵袭情况。根据肿瘤侵袭情况，划分出要切除的骶骨范围。

S2:确定患侧骶骨所需选取的位置和范围后，将整个骶骨数据从骨盆数据中进行分离，分离后分别重建左右侧的半骨盆。肿瘤常见于一侧骨盆，故本次专利以所做的左侧骨盆为例进行说明。将Mimics中的骶骨数据导出到工业软件中进行镜像，以达到修补患侧骶骨的外形的目的。取骶骨背侧外形，在Geomagic软件中对骶骨背侧外形进行光滑处理及修补，导入到工业软件中进行增厚5mm处理，形成骶骨重建板的初稿，修整边角。根据肿瘤范围及正常骶骨边界，调整骶骨重建板外形，使其在保证牢固固定的情况下，使骶骨板面积尽量缩小，以免损伤周围组织。

S3：将设计好的半骨盆假体导入，与骶骨重建板进行组配后，在骶骨重建板上设计两个螺栓基座，用于将骶骨重建板与半骨盆假体进行牢固固定。

在骶骨重建板骨贴合面设计1mm的网格结构，网孔孔隙率在70-80％之间，以促进骨长入。

S4：个体化定制的骶骨重建板外形确认后，在工业软件中同时导入骶骨重建板及骶骨，根据骶骨残余的骨质，设计骶骨重建板上的钉孔，使钉子通过骶骨骨质，达到牢固的固定效果，同时不能穿出骨质对周围组织造成损伤。

S5：采用金属3D打印技术对医用Ti6Al4V合金进行打印，形成骶骨重建板毛坯，打印完成后超声去除毛坯中的多余粉末，将骶骨重建板非骨接触面、螺栓基座及螺孔抛光。

S6:将成品的骶骨重建板与3D打印的患者骨骼模型，半骨盆假体进行手术模拟，如成功组配，可以考虑将其应用到实际手术中。

步骤S1中采集患者骨盆及骶骨的CT断层扫描图像，扫描时需将骶骨及与骶骨连接处的骨肿瘤侵袭缺损部位扫描完整。

步骤S2中根据肿瘤范围及正常骶骨边界，调整骶骨重建板外形，使其在保证牢固固定的情况下，使骶骨板面积尽量缩小，以免损伤周围组织，是指根据医学知识和经验来判断骶骨板的位置和大小。

步骤S1-S4中所述的工业软件是指UG、SolidWorks或ProE。

实施例2

本实施例3D打印个体化定制骶骨重建板，包括用于贴合安装在骶骨上的仿生骶骨贴合板，所述仿生骶骨贴合板的形状仿生人体骶骨背面形状而成，所述仿生骶骨贴合板与骶骨贴合的面上设有金属网格骨贴合面，其中所述金属网格骨贴合面的面积至少占仿生骶骨贴合板整体面积的1/3至1/2，所述仿生骶骨贴合板上设有固定钉孔以及用于固定骨盆假体的基座；

其中，所述的骶骨重建板采用上述实施例3D打印个体化定制骶骨重建板的方法制备而成。

所述仿生骶骨贴合板的厚度为5mm；所述金属网格骨贴合面的厚度为1mm。

所述的仿生骶骨贴合板的长、宽尺寸根据患者骶骨的大小和肿瘤的侵蚀情况，分别包括大、中、小三个不同的尺寸规格。大规格用于骶骨全部切除的骶骨，中规格用于骶骨切除1/2的骶骨，小规格用于骶骨切除1/3以内或未受到肿瘤肿瘤侵袭的骶骨。

仿生骶骨贴合板的长根据骶骨的宽度确定，仿生骶骨板的长度大于或等于骶骨的宽度1至5mm，仿生骶骨板的宽度根据骶骨可暴露的高度确定。仿生骶骨贴合板贴合在骶骨上时，所述固定钉孔的设置位置避开神经根。

本发明个体化定制的骶骨重建板按照原有解剖弧度和外形进行仿生简化设计，既符合桡骨突出的角度，也弥补了以往假体无法重建解剖形态的问题。具体步骤是采集患者骨盆及骶骨的CT断层扫描图像，扫描时需将骶骨及与骶骨连接处的骨肿瘤侵袭缺损部位扫描完整，导入到Mimics进行重建骶骨和骨盆，通过MRI、病理结果等确认骨盆、骶骨的肿瘤侵袭情况，划分出要切除的骶骨范围，将整个骶骨数据从骨盆数据中进行分离，分离后分别重建左右侧的半骨盆。数据导出到工业软件中进行镜像，取骶骨背侧外形，在Geomagic软件中对骶骨背侧外形进行光滑处理及修补，导入到工业软件中进行增厚5mm处理，形成骶骨重建板的初稿，调整骶骨重建板外形，将设计好的半骨盆假体导入，与骶骨重建板进行组配后，在骶骨重建板上设计两个螺栓基座，用于将骶骨重建板与半骨盆假体进行牢固固定。在骶骨重建板骨贴合面设计1mm的金属网格骨贴合面，网孔孔隙率在70-80％之间，以促进骨长入。在工业软件中同时设计骶骨重建板上的钉孔，使钉子通过骶骨骨质，达到牢固的固定效果，同时不能穿出骨质对周围组织造成损伤。将成品的骶骨重建板与3D打印的患者骨骼模型，半骨盆假体进行手术模拟，如成功组配，可以考虑将其应用到实际手术中。

为了保证解剖形态同时安装方便，本发明所设计的骶骨重建板其形态、面积大小、均仿照根据患者骶骨具体形态及病情，需根据医学知识及医生经验进行选择，并非简单仿生块设计。

骶骨固定块的骨贴合面为骶骨背侧仿生曲面设计，同时设计有1mm的金属金属网格骨贴合面为骨长入提供良好的外部条件，金属金属网格骨贴合面已经被证实具有良好的骨诱导特性，较大的孔隙率和一定的金属网格骨贴合面能够促进骨长入。

需要强调的是，在骶骨固定块上设计钉道钉孔无固定模式，原则是牢固固定，同时对周围神经、血管等软组织无损伤，这就要求钉道设计的同时，将钉的直径和长度确定好，不同的孔道角度设计完成之后，钉子的直径和长度都是确定好的，术中需根据术前的设计进行逐一的安放，不能出错。

以前期开展的临床试验为例：男性患者,51岁，左侧骨盆软骨肉瘤，3年前行肿瘤切除术及半骨盆置换术，更换传统组配式人工半骨盆假体。术后3年肿瘤复发侵袭骨盆及骶骨骨质，传统半骨盆假体松动。现有假体无法在将复发肿瘤切除后完成解剖的重建和功能的恢复。患者前来求医后，一边对该患者行放射治疗，以期缩小骨盆肿瘤，同时进行骨盆假体设计。国内虽有全骶骨假体的置换，但考虑到该患者仅有部分骶骨被肿瘤侵袭，为患者设计骶骨重建板以解决3D打印定制化的半骨盆安装问题。经患者知情同意参与临床实验后，用本发明根据患者自身解剖结构进行假体设计，最终为该患者定制个性化的骶骨重建板。常规手术，术后进行康复指导。患者术后2.5个月即由术前无法行走的状态，到可自主拄拐下地，并可自主完成坐起站立的动作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种3D打印个体化定制骶骨重建板，其特征在于，包括用于贴合安装在骶骨上的仿生骶骨贴合板，所述仿生骶骨贴合板的形状仿生人体骶骨背面形状而成，所述仿生骶骨贴合板与骶骨贴合的面上设有金属网格骨贴合面，其中所述金属网格骨贴合面的面积至少占仿生骶骨贴合板整体面积的1/3至1/2，所述仿生骶骨贴合板上设有固定钉孔以及用于固定骨盆假体的基座；

其中，所述的骶骨重建板采用下述方法制备而成：

获取患者骨盆及骶骨的CT断层扫描图像，确认骨盆、骶骨的肿瘤侵袭情况，根据肿瘤侵袭情况，确定要切除的骶骨范围；

将整个骶骨图像数据和骨盆图像数据进行分离，分离后分别重建左右侧的半骨盆图像数据，将骶骨图像数据导出到工业软件中进行镜像，在工业软件中修补患侧骶骨的外形，对骶骨背侧外形进行光滑处理及修补；

利用工业软件，根据肿瘤侵袭情况及正常骶骨边界，确定仿生骶骨贴合板的边界，在仿生骶骨贴合板的边界对应的骶骨范围内进行骶骨图像数据增厚5mm处理，得到仿生人体骶骨背面形状的仿生骶骨贴合板的图像数据；

利用工业软件，将半骨盆图像数据与仿生骶骨贴合板的图像数据进行仿真组配，得到仿生骶骨贴合板上螺栓基座的图像数据，所述螺栓基座用于将仿生骶骨贴合板与半骨盆假体进行固定；

利用工业软件，根据仿生骶骨贴合板的图像数据及骶骨图像数据，根据骶骨残余的骨质，确定仿生骶骨贴合板上钉孔图像数据，使钉子通过骶骨骨质，到达牢固的固定效果，同时不能穿出骨质对周围组织造成损伤；

采用3D打印技术对仿生骶骨贴合板进行打印，形成仿生骶骨贴合板，其中所述仿生骶骨贴合板上设有螺栓基座和钉孔；打印完成后超声去除仿生骶骨贴合板中的多余粉末，将仿生骶骨贴合板非骨接触面、螺栓基座及螺孔抛光；

在仿生骶骨贴合板与骶骨进行贴合的面上安装1mm厚的金属网格骨贴合面，形成骶骨重建板成品；其中，所述的金属网格骨贴合面的网孔孔隙率在70-80％之间。

2.根据权利要求1所述的3D打印个体化定制骶骨重建板，其特征在于，所述仿生骶骨贴合板的厚度为5mm；所述金属网格骨贴合面的厚度为1mm。

3.根据权利要求1所述的3D打印个体化定制骶骨重建板，其特征在于，所述的仿生骶骨贴合板的长、宽尺寸根据患者骶骨的大小和肿瘤的侵蚀情况，分为大、中、小三种不同的尺寸规格。

4.根据权利要求3所述的3D打印个体化定制骶骨重建板，其特征在于，仿生骶骨贴合板的长根据骶骨的宽度确定，仿生骶骨板的疮毒大于或等于骶骨的宽度1至5mm，仿生骶骨板的宽度根据骶骨可暴露的高度确定。

5.根据权利要求4所述的3D打印个体化定制骶骨重建板，其特征在于，小规格用于骶骨切除1/3以内或未受到肿瘤侵袭的骶骨。

6.根据权利要求4所述的3D打印个体化定制骶骨重建板，其特征在于，仿生骶骨贴合板贴合在骶骨上时，所述固定钉孔的设置位置避开神经根。