CN107307925A - 计算机辅助设计个体化胸骨假体及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及计算机辅助设计个体化胸骨假体及制作方法，包括采集患者胸部断层扫描CT数据建立胸部三维模型；测量患者胸骨参数；利用建模软件，以生物胸骨柄外形为参照，设计假体胸骨柄外形；假体胸骨柄在与锁骨、肋骨连接边缘设计多个孔道；根据患者胸骨体内腔尺寸设计胸骨假体插入胸骨体腔部分的大小；假体胸骨体部分竖直设孔道，直径5‑6mm；胸骨假体放入胸骨体腔内前需将患者胸骨体顶端切除10‑12mm；放置位置与计算机辅助设计位置完全相同，假体胸骨体上端与胸骨柄连接部位添加阶梯状凸起。本发明针对个体胸部解剖结构特点实现对患者胸骨信息精准的测量，与患者胸廓结构达到完美匹配，韧带连接解决了患者术后上肢活动范围受限的问题。

Description

计算机辅助设计个体化胸骨假体及制作方法
技术领域
本发明属于骨外科截骨矫形器材领域，尤其涉及计算机辅助设计个体化胸骨假体及制作方法。
背景技术
胸骨位于胸前壁正中，后方为心包及大血管，为一上宽下窄、前扁后凹的扁骨，分为胸骨柄、胸骨体和剑突三部分。另外因锁骨的胸骨关节面与胸骨柄的锁骨切迹及第1肋软骨的上面共同构成的胸锁关节可做各个方向的微动运动，体现为锁骨外侧端的上提、下降和前后运动，此外，尚能做轻微的旋转运动。因此胸锁关节关系到患者上肢的活动范围，影响患者正常生活。
某些严重胸部疾病(如交通事故、肿瘤等)侵犯胸骨时，需要行广泛胸骨切除术，常需进行胸骨或胸壁重建。在临床实践中，胸壁的重建主要有骨水泥联合钢板或钛网、同种异体骨移植等，虽然解决了胸壁重建的问题，但假体使用年限、假体强度、骨吸收等弊端十分明显。
随着计算机辅助骨科的日益兴起，有学者应用计算机及3D打印技术，设计并生产了部分标准化的胸骨假体。这类假体并未考虑到患者的年龄、疾病特点、胸锁关节的微动运动等因素的影响，缺乏精确的量化指标，使术后患者上肢运动受到较大范围的制约，影响患者正常生活。同时因部分成品的胸骨假体体积过大，术中安放时会增加手术难度及风险，也会加重患者的损伤。目前个别通用假体虽然考虑了胸锁关节的微动因素，但因微动部位完全由金属连接完成，使得假体植入后微动部位断裂概率较高，一旦假体发生断裂，将无法修复，只能重新更换，给患者带来更高的经济损失。
发明内容
为解决现有胸骨假体制作技术中，因未完全将胸锁关节的微动因素设计在内造成的患者术后上肢活动范围受限的问题，本发明提供计算机辅助设计个体化胸骨假体及制作方法，本发明完全保留了胸锁关节的微动运动，最大限度的恢复了患者的上肢活动范围。同时本发明也充分考虑了个体的胸部解剖结构特点、胸骨的力学及生物学特性，对患者胸骨体积及假体位置信息进行精准的测量，达到了个体化、精准化，并且可使手术创伤减低。
本发明的技术方案：计算机辅助设计个体化胸骨假体的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、采集患者胸部断层扫描CT数据，以DICOM图像格式进行存储，通过三维重建软件建立胸部三维模型；
步骤2、测量患者胸骨参数，包括锁骨间间距、第一肋骨间间距、第二肋骨间间距、胸骨体内腔长宽高尺寸参数；
步骤3、利用建模软件，以胸骨柄外形为参照，以测得患者的胸骨参数为标准，设计胸骨假体外形；锁骨与假体保留间隙距离；
步骤4、假体胸骨柄部分在与锁骨、肋骨连接边缘设置多个孔道，用以穿过连接骨骼与假体的韧带及惰性线；
步骤5、根据患者胸骨体内腔尺寸设计假体插入胸骨体腔部分的大小，胸骨假体插入胸骨体腔部分尺寸大于胸骨体内腔的1/2小于胸骨体内腔的2/3；
步骤6、假体胸骨体部分竖直设计3-4个孔道，直径为5-6mm；
步骤7、胸骨假体放入胸骨体内腔前需将患者胸骨体顶端切除，切除距离10-12mm；
步骤8、在假体胸骨柄部分设计多个生物融合孔道，以增加假体植入后的生物相容性。
优选地，步骤7和步骤8加设中间步骤，中间步骤具体为：为保证胸骨假体植入时位置准确，假体胸骨体上端与假体胸骨柄连接部位添加阶梯状凸起，以阻挡胸骨假体插入胸骨体内腔过深。
优选地，所述步骤1中胸部三维模型包括锁骨、第一肋骨到第五肋骨、胸骨柄和胸骨体模型。
优选地，所述步骤3中胸骨假体与锁骨间隙距离保留2-5mm，所述假体胸骨柄与假体两侧胸肋关节处留有4-6mm的活动间距。
优选地，所述步骤4中假体胸骨柄部分在与锁骨、肋骨连接边缘设置多个孔道，用以穿过连接骨骼与假体的韧带及惰性线具体地：假体胸骨柄顶部锁骨间设置一条通道，用以穿过重建的锁骨间韧带，在胸骨柄两侧边缘各设计多个孔道用以穿过胸锁韧带与胸肋韧带，同时设计多个用以穿过惰性线的孔道。
优选地，假体胸骨柄顶部锁骨间设计一条直径为6.0mm的通道，在胸骨柄两侧边缘各设计多个直径为6.0mm的孔道用以穿过重建的胸锁韧带和胸肋韧带，同时设计多个直径为2mm的孔道，用以穿过惰性线，加强连接。
一种计算机辅助设计个体化胸骨假体，包括假体胸骨柄和假体胸骨体，其特征在于所述假体胸骨柄部分在与锁骨、肋骨连接边缘设置多个孔道，所述假体胸骨体竖直设置多个固定孔道。
优选地，所述假体胸骨柄顶部锁骨间位置处设计的一条锁骨连接孔道，用以穿过重建的锁骨间韧带；
所述假体胸骨柄顶部胸锁关节处设计多个用以穿过重建的胸锁关节韧带的孔道；
所述假体胸骨柄两侧胸肋关节处各设计多个用以穿过重建的胸肋关节韧带的孔道；
所述假体胸骨柄两侧胸肋关节处同时各设计多个用以穿过连接假体与肋骨的惰性线的孔道。
优选地，所述锁骨连接孔道直径为5.0-7.0mm；
所述用以穿过重建的胸锁关节韧带的孔道为胸锁连接孔道，所述胸锁连接孔道的直径为5.0-7.0mm；
所述用以穿过重建的胸肋关节韧带的孔道为胸肋连接孔道，所述肋骨连接孔道直径为5.0-7.0mm；
所述用以穿过连接假体与肋骨的惰性线的孔道直径为惰性线孔道，所述惰性线孔道的直径为1.0-3.0mm；
所述假体胸骨体竖直设置3-4个固定孔道，以保证骨水泥的固定融合，防止假体脱落，所述固定孔道直径约为5.0-6.0mm。
优选地，所述假体胸骨柄中间位置设置生物融合孔道，用以增加假体的生物相容性；所述假体胸骨体上端与胸骨柄连接部位设置阶梯状凸起。
本发明有益效果是：(1)本发明实现了手术前精准设计、模拟和制作，实现模拟截骨矫形、缩短了手术时间和降低了患者手术风险，而且减少了患者及手术医生的辐射曝光时间，是一种值得精准骨科手术领域进一步推广的先进技术方法，同时本发明也充分考虑了个体的胸部解剖结构特点、胸骨的力学及生物学特性，对患者胸骨体积及假体位置信息进行精准的测量，达到了个体化、精准化，并且可使手术创伤减低。
(2)胸骨假体，设计合理，通过假体胸骨柄部分在与锁骨、肋骨连接边缘设置多个孔道通过孔道，假体胸骨柄顶部锁骨间位置处设置锁骨连接孔道用以穿过重建的锁骨间韧带，假体胸骨柄顶部胸锁关节处设置多个用以穿过重建的胸锁关节韧带的孔道；假体胸骨柄两侧胸肋关节处各设置个用以穿过重建的胸肋关节韧带的孔道；假体胸骨柄两侧胸肋关节处同时各设计多个用以穿过连接假体与肋骨的惰性线的孔道，解决患者术后上肢活动范围受限的问题，完全保留了胸锁关节的微动运动，最大限度的恢复了患者的上肢活动范围，充分考虑了个体的胸部解剖结构特点、胸骨的力学及生物学特性，降低了假体断裂的概率。
附图说明
图1是本发明中胸骨假体的结构示意图；
图2是本发明中胸骨假体的左视图。
附图中，1、胸骨假体，2、假体胸骨柄，3、假体胸骨体，4、生物融合孔道，5、锁骨连接孔道，6、胸肋连接孔道，7、惰性线孔道，8、固定孔道，9.胸锁连接孔道，10.阶梯状凸起。
具体实施方式
附图中，1、胸骨假体，2、假体胸骨柄，3、假体胸骨体，4、生物融合孔道，5、锁骨连接孔道，6、胸肋连接孔道，7、惰性线孔道，8、固定孔道，9.胸锁连接孔道，10.阶梯状凸起。
下面结合附图对本发明的一种具体实施方式做出说明。
本发明涉及计算机辅助设计个体化胸骨假体1的制作方法，本发明的技术方案：计算机辅助设计个体化胸骨假体1的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、采集患者胸部断层扫描CT数据，以DICOM图像格式进行存储，通过三维重建软件建立胸部三维模型；步骤1中胸部三维模型包括锁骨、第一肋骨到第五肋骨、胸骨柄和胸骨体模型。
步骤2、测量患者胸骨参数，包括锁骨间间距、第一肋骨间间距、第二肋骨间间距、胸骨体内腔长宽高尺寸参数；
步骤3、利用建模软件，以胸骨柄外形为参照，以测得患者的胸骨参数为标准，设计胸骨假体1外形；步骤3中胸骨假体1与锁骨间隙距离保留2-5mm，假体胸骨柄2与假体两侧胸肋关节处留有4-6mm的活动间距；
步骤4、假体胸骨柄2部分在与锁骨、肋骨连接边缘设置多个孔道，用以穿过连接骨骼与假体的韧带及惰性线；步骤4中假体胸骨柄2部分在与锁骨、肋骨连接边缘设置多个孔道，用以穿过连接骨骼与假体的韧带及惰性线具体地：假体胸骨柄2顶部锁骨间设置一条通道，用以穿过重建的锁骨间韧带，在胸骨柄两侧边缘各设计多个孔道用以穿过胸锁韧带与胸肋韧带，同时设计多个用以穿过惰性线的孔道。
假体胸骨柄2顶部锁骨间设计一条直径为6.0mm的通道，在胸骨柄两侧边缘各设计多个直径为6.0mm的孔道用以穿过重建的胸锁韧带和胸肋韧带，同时设计多个直径为2mm的孔道，用以穿过惰性线，加强连接。
步骤5、根据患者胸骨体内腔尺寸设计假体插入胸骨体腔部分的大小，胸骨假体1插入胸骨体腔部分尺寸大于胸骨体内腔的1/2小于胸骨体内腔的2/3；
步骤6、假体胸骨体3部分竖直设计3-4个孔道，直径为5-6mm；
步骤7、胸骨假体1放入胸骨体内腔前需将患者胸骨体顶端切除，切除距离10-12mm；
步骤8、在假体胸骨柄2部分设计多个生物融合孔道4，以增加假体植入后的生物相容性，有利于患者恢复，同时在保证整体强度的情况下减小整体重量，减少病人负担，增加患者舒适度。
步骤7和步骤8加设中间步骤，中间步骤具体为：为保证胸骨假体1植入时位置准确，假体胸骨体3上端与假体胸骨柄2连接部位添加阶梯状凸起10，以阻挡假体插入胸骨体内腔过深。
一种计算机辅助设计个体化胸骨假体1，包括假体胸骨柄2和假体胸骨体3，其特征在于假体胸骨柄2部分在与锁骨、肋骨连接边缘设置多个孔道，假体胸骨体3竖直设置多个固定孔道8。
假体胸骨柄2顶部锁骨间位置处设计的一条锁骨连接孔道5，用以穿过重建的锁骨间韧带；锁骨连接孔道5直径为5.0-7.0mm；
假体胸骨柄2顶部胸锁关节处设计多个用以穿过重建的胸锁关节韧带的孔道；用以穿过重建的胸锁关节韧带的孔道为胸锁连接孔道9，胸锁连接孔道9的直径为5.0-7.0mm；
假体胸骨柄2两侧胸肋关节处各设计多个用以穿过重建的胸肋关节韧带的孔道；用以穿过重建的胸肋关节韧带的孔道为胸肋连接孔道6，肋骨连接孔道直径为5.0-7.0mm；
假体胸骨柄2两侧胸肋关节处同时各设计多个用以穿过连接假体与肋骨的惰性线的孔道，用以穿过连接假体与肋骨的惰性线的孔道直径为惰性线孔道7，惰性线孔道7的直径为1.0-3.0mm；
假体胸骨体3竖直设置3-4个固定孔道8，以保证骨水泥的固定融合，防止假体脱落，固定孔道8直径约为5.0-6.0mm。
假体胸骨柄2中间位置设置生物融合孔道4，用以增加假体的生物相容性；有利于患者恢复，同时在保证整体强度的情况下减小整体重量，减少病人负担，增加患者舒适度；
假体胸骨体3上端与假体胸骨柄2连接部位添加阶梯状凸起10，以阻挡胸骨假体1插入胸骨体内腔过深。
实施例1
本实施例为应用在胸骨软骨肿瘤病例中的计算机辅助设计个体化胸骨假体1的制作方法。
1、应用mimics软件及CT数据重建出患者胸部三维模型，其中包括锁骨、第一肋骨到第五肋骨、胸骨柄和胸骨体模型；
2、测量软骨肿瘤切除范围、胸骨长度、锁骨间距、第一肋骨间间距，第二肋骨间间距，胸骨体内腔体积等参数。根据实际需可以增加测量参数。
3、利用建模软件，以胸骨柄外形为参照，设计胸骨假体1外形；其中因锁骨间距离为40.5mm，胸骨假体1顶部长为36.0mm，胸骨假体1与两侧锁骨间各保留2.25mm间隙假体胸骨柄2与假体两侧胸肋关节处各留有5mm的活动间距，有利于恢复了患者的胸锁和胸肋关节的微动运动；锁骨直径约17mm，胸骨假体1宽度为14.5mm。
4、模拟中胸假体骨柄顶部锁骨间位置处设计1条直径为6.0mm的通道用以穿过重建的锁骨间韧带，在胸骨假体1两侧的假体胸骨柄2顶部胸锁关节处各设计1个直径为6.0mm的孔道用以穿过重建的胸锁韧带，在胸骨假体1两侧的假体胸骨柄2两侧胸肋关节处各设计4个直径为6.0mm的孔道用以穿过重建的胸肋韧带，同时胸骨柄两侧各设计了7个直径为2mm的用以穿过连接假体与肋骨的惰性线的孔道，加强连接；
5、因患者胸骨体腔尺寸为22mm*6mm*100mm，模拟中设置胸骨假体1尺寸为17mm*3.5mm*60mm；
6、胸骨假体1连接体中间设计4个孔道，直径为5.5mm，防止骨水泥固定不牢，胸骨假体1脱落发生；
7、模拟中胸骨假体1放入胸骨体腔内前需将患者胸骨体顶端切除，切除距离为11mm；
8、在胸骨假体1插入胸骨体腔边缘设置阶梯状凸起10，以阻挡胸骨假体1插入胸骨体内腔过深。
9、在假体胸骨柄2部分设计多个生物融合孔道4，以增加假体植入后的生物相容性，有利于患者恢复，同时在保证整体强度的情况下减小整体重量，减少病人负担，增加患者舒适度。
本发明实现了手术前精准设计、模拟和制作，实现模拟截骨矫形、缩短了手术时间和降低了患者手术风险，而且减少了患者及手术医生的辐射曝光时间，是一种值得精准骨科手术领域进一步推广的先进技术方法，同时本发明也充分考虑了个体的胸部解剖结构特点、胸骨的力学及生物学特性，对患者胸骨体积及假体位置信息进行精准的测量，达到了个体化、精准化，并且可使手术创伤减低。
一种计算机辅助设计个体化胸骨假体1，包括假体胸骨柄2和假体胸骨体3，患者胸骨体腔尺寸为22mm*6mm*100mm，胸骨假体1放入胸骨体腔内前需将患者胸骨体顶端切除，切除距离为11mm；胸骨假体1尺为17mm*3.5mm*60mm，设置合理，方便胸骨假体1放入胸骨体腔内，假体胸骨柄2顶部锁骨间位置处设置的一条锁骨连接孔道5，用以穿过重建的锁骨间韧带，锁骨连接孔道5直径为6.0mm；假体胸骨柄2顶部胸锁关节处设计多个用以穿过重建的胸锁关节韧带的孔道；用以穿过重建的胸锁关节韧带的孔道为胸锁连接孔道9的直径为6.0mm；假体胸骨柄2两侧胸肋关节处各设置4个胸肋连接孔道6，胸肋连接孔道6直径为6.0mm，以穿过重建的胸肋关节韧带；以上孔道直径为6.0mm，尺寸设置合理，便于操作，韧带易于通过；假体胸骨柄2两侧胸肋关节外侧设置7个惰性线孔道7，惰性线孔道7直径为2mm，用以穿过惰性线，加强连接；假体胸骨体3竖直设计4个固定孔道8，固定孔道8直径约为5-6mm，假体胸骨体3插入胸骨内，并用骨水泥固定融合，防止胸骨假体1脱落，假体胸骨柄2中间位置设置多个生物融合孔道4，用以增加假体的生物相容性，有利于患者恢复，同时在保证整体强度的情况下减小整体重量，减少病人负担，增加患者舒适度；假体胸骨体3上端与假体胸骨柄2连接部位添加阶梯状凸起10，以阻挡胸骨假体1插入胸骨体内腔过深。胸骨假体1与锁骨间隙距离保留2.25mm，假体胸骨柄2与假体两侧胸肋关节处留有5mm的活动间距，有利于恢复了患者的胸锁和胸肋关节的微动运动。整体采用钛合金材料，结构设置合理，具有一定强度，能有效保护内脏器官，降低了假体断裂的概率。
本技术方案中胸骨假体1，设计合理，通过假体胸骨柄2部分在与锁骨、肋骨连接边缘设置多个孔道通过孔道，假体胸骨柄2顶部锁骨间位置处设置锁骨连接孔道5用以穿过重建的锁骨间韧带，假体胸骨柄2顶部胸锁关节处设置多个用以穿过重建的胸锁关节韧带的孔道；假体胸骨柄2两侧胸肋关节处各设置个用以穿过重建的胸肋关节韧带的孔道；假体胸骨柄2两侧胸肋关节处同时各设计多个用以穿过连接假体与肋骨的惰性线的孔道，解决患者术后上肢活动范围受限的问题，完全保留了胸锁和胸肋关节的微动运动，最大限度的恢复了患者的上肢活动范围，充分考虑了个体的胸部解剖结构特点、胸骨的力学及生物学特性，降低了假体断裂的概率。
以上对本发明的一个实例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.计算机辅助设计个体化胸骨假体的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、采集患者胸部断层扫描CT数据，以DICOM图像格式进行存储，通过三维重建软件建立胸部三维模型；
步骤2、测量患者胸骨参数，包括锁骨间间距、第一肋骨间间距、第二肋骨间间距、胸骨体内腔长宽高尺寸参数；
步骤3、利用建模软件，以胸骨柄外形为参照，以测得患者的胸骨参数为标准，设计胸骨假体外形；胸骨假体与锁骨保留间隙距离；
步骤4、假体胸骨柄部分在与锁骨、肋骨连接边缘设置多个孔道，用以穿过连接骨骼与假体的韧带及惰性线；
步骤5、根据患者胸骨体内腔尺寸设计假体插入胸骨体腔部分的大小，胸骨假体插入胸骨体腔部分尺寸大于胸骨体内腔的1/2小于胸骨体内腔的2/3；
步骤6、假体胸骨体部分竖直设计3-4个孔道，直径为5-6mm；
步骤7、胸骨假体放入胸骨体内腔前需将患者胸骨体顶端切除，切除距离10-12mm；
步骤8、在假体胸骨柄部分设计多个生物融合孔道，以增加假体植入后的生物相容性。
2.根据权利要求1所述的计算机辅助设计个体化胸骨假体的制作方法，其特征在于步骤7和步骤8加设中间步骤，中间步骤具体为：为保证胸骨假体植入时位置准确，假体胸骨体上端与假体胸骨柄连接部位添加阶梯状凸起，以阻挡假体插入胸骨体内腔过深。
3.根据权利要求1或2所述的计算机辅助设计个体化胸骨假体的制作方法，其特征在于所述步骤1中胸部三维模型包括锁骨、第一肋骨到第五肋骨、胸骨柄和胸骨体模型。
4.根据权利要求1或2所述的计算机辅助设计个体化胸骨假体的制作方法，其特征在于所述步骤3中胸骨假体与锁骨间隙距离保留2-5mm，假体胸骨柄与假体两侧胸肋关节处留有4-6mm的活动间距。
5.根据权利要求1或2所述的计算机辅助设计个体化胸骨假体的制作方法，其特征在于所述步骤4中假体胸骨柄部分在与锁骨、肋骨连接边缘设置多个孔道，用以穿过连接骨骼与假体的韧带及惰性线具体地：假体胸骨柄顶部锁骨间设置一条通道，用以穿过重建的锁骨间韧带，在胸骨柄两侧边缘各设计多个孔道用以穿过胸锁韧带与胸肋韧带，同时设计多个用以穿过惰性线的孔道。
6.根据权利要求5所述的计算机辅助设计个体化胸骨假体的制作方法，其特征在于假体胸骨柄顶部锁骨间设计一条直径为6.0mm的通道，在胸骨柄两侧边缘各设计多个直径为6.0mm的孔道用以穿过重建的胸锁韧带和胸肋韧带，同时设计多个直径为2mm的孔道，用以穿过惰性线，加强连接。
7.一种计算机辅助设计个体化胸骨假体，包括假体胸骨柄和假体胸骨体，其特征在于所述假体胸骨柄部分在与锁骨、肋骨连接边缘设置多个孔道，所述假体胸骨体竖直设置多个固定孔道。
8.根据权利要求7所述的一种计算机辅助设计个体化胸骨假体，其特征在于所述假体胸骨柄顶部锁骨间位置处设计的一条锁骨连接孔道，用以穿过重建的锁骨间韧带；
所述假体胸骨柄顶部胸锁关节处设计多个用以穿过重建的胸锁关节韧带的孔道；
所述假体胸骨柄两侧胸肋关节处各设计多个用以穿过重建的胸肋关节韧带的孔道；
所述假体胸骨柄两侧胸肋关节处同时各设计多个用以穿过连接假体与肋骨的惰性线的孔道。
9.根据权利要求8所述的一种计算机辅助设计个体化胸骨假体，其特征在于所述锁骨连接孔道直径为5.0-7.0mm；
所述用以穿过重建的胸锁关节韧带的孔道为胸锁连接孔道，所述胸锁连接孔道的直径为5.0-7.0mm；
所述用以穿过重建的胸肋关节韧带的孔道为胸肋连接孔道，所述肋骨连接孔道直径为5.0-7.0mm；
所述用以穿过连接假体与肋骨的惰性线的孔道直径为惰性线孔道，所述惰性线孔道的直径为1.0-3.0mm；
所述假体胸骨体竖直设置3-4个固定孔道，以保证骨水泥的固定融合，防止假体脱落，所述固定孔道直径约为5.0-6.0mm。
10.根据权利要求7或8所述的一种计算机辅助设计个体化胸骨假体，其特征在于所述假体胸骨柄中间位置设置生物融合孔道，用以增加假体的生物相容性；所述假体胸骨体上端与胸骨柄连接部位设置阶梯状凸起。
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