CN107374785B - 一种眶壁爆裂性骨折钛网的预制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗器械领域，具体的说是一种眶壁爆裂性骨折钛网的预制作方法。该方法包括以下步骤：1、建立患者头骨模型；2、切割与分离；3、镜像；4、重置与重新调节；5、提高所确定的受损区域与实际受损区域的符合程度；6、精确患者受损区域；7、根据受损区域建立修补骨片模型；8、3D打印修补骨片。本发明是一种眶壁爆裂性骨折钛网的预制作方法，该方法计算出来的骨折面积接近实际贴近精准医疗，作为下一代诊疗技术，精准医疗具有重要的理论和实践意义，由于骨片曲度大小贴合患者受损区域，提高手术效果，减少术后并发症的发生，并且骨片制作在术前完成，缩短了手术时长，降低由于手术时间过长造成的意外风险。

Description

一种眶壁爆裂性骨折钛网的预制作方法

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体的说是一种眶壁爆裂性骨折钛网的预制作方法。

背景技术

随着我国现代化发展的步伐逐渐加快，在经济，科技及社会高速发展的同时，由于交通事故，工农业生产以及一些暴力行为导致眼眶爆裂性骨折的发病率逐渐增高。钛网植入可以治疗眼眶内下壁爆裂性骨折。目前钛网的制作方法常用的有三种并且都存在着缺点：一、传统用于修复眶壁爆裂性骨折的钛网是根据手术医生在手术过程中观察，完成弯制与裁剪；由于骨片是在术中根据术者所见制作而成，手术效果与医生状态相关，并且由于制造骨片造成的手术时间过长，使得手术的风险增加，手术费用也过高造成患者压力大不利于患者的康复；二、利用Mimics三维软件对CT数据进行三维重建，随后按其形态制作2D骨折缺损图像，并结合术中所见修剪钛网；此方法是通过CT平面图观察爆裂性眼眶骨折的影像特征，判断骨折区域，在术中根据术者所见裁剪骨片大小，对于医生的影响观察专业要求较高，且具有不确定性，在患者数量较多时，医生工作强度过大，具有一定的误诊风险；三、将眼眶CT的数据从计算机中提取DICOM格式文件，导入软件MIMICS中，生成3D虚拟模型，保存STL格式，以3D打印机打印3D眼眶模型。依据打印完成的3D眼眶模型，制定曲度完全适配缺损的模拟修补骨片；此方法虽能在术前将曲度吻合的骨片制作出来，但却未对眼眶实际受损面积进行更精确的测量，仍需在术中进一步裁剪。

发明内容

本发明提供了一种通过软件制作曲度大小完全贴合的眶壁爆裂性骨折钛网模型，并通过3D打印技术打印骨片，解决如今眶壁爆裂性骨折修补骨片与患者不适配，且制作繁琐问题；

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种眶壁爆裂性骨折钛网的预制做方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立患者头骨模型

首先通过导入模块，将头颅的薄层后重建数据以Dicom格式导入Mimics软件，运用阈值选取技术,软件自动得出该头颅的阈值范围，接受这一阈值范围后，便得到了该头颅的原始蒙罩，其次，运用区域增长极术，选取欲重建的处工作平台以外的颅骨区域，进而得到新的蒙罩，随后在三维实体菜单导入新蒙罩并加以运算，便获得了该头颅的三维重建模型；

步骤二、切割与分离

选择切割菜单栏下的多平面工具于颅骨完整侧来勾画切割范围，得到切割轮廓线后，将颅骨旋转到有颅骨缺损侧观察轮廓线是否合适，通过移动节点、增加或减少节点的方式来调整轮廓线，以便使最终获得的数字模型能满意的填充到颅骨缺损处，由此得到一个由轮廓线以内及轮廓线以外两部分组成的新模型，再通过颜色差异将新模型的两部分区分开来；

步骤三、镜像

选择模拟菜单栏下的测量和分析工具即Measure and Analyse，调整软件预先设定的矢状面，使该矢状面能将颅骨平分为左右两半，平分的原则是在至下而上的横断面上，该矢状面要通过鼻腔的中心，随后选择模拟菜单栏下的镜像工具，软件自动将破损对侧的数据镜像复制到眼眶破损处，便得到了眼眶破损区的数字模型，单侧眼眶破损超过中线的患者,通过镜像复制得到的数字模型将不能覆盖整个缺损面,这时可以增加节点填补中线缺损处，对于双侧眼眶破损患者,可采用分别提取对侧肌肉组织弧度的方法来大致提取数据,获得一个近似于颅骨的曲面,再通过移动节点以及改变曲面弧度的方法将曲面调节到理想状态；

步骤四、重置与重新调节

由于该数字模型与眼眶破损区没有良好的对位关系，则需重新设置其位置，选择模拟菜单栏下的重置工具，移动和旋转数字模型，以使该数字模型与颅骨缺损处达到最佳吻合，由于得到的数字模型在多数情况下都不能将颅骨缺损处填满，由此需要修改该数字模型的三维参数，以便使其能完全填充颅骨缺损处；

步骤五、提高所确定的受损区域与实际受损区域的符合程度

眼眶必然存在易碎部位和不易碎部位，根据受力的角度和形式，易碎部位和不易碎部位也会发生相应的变化，同样破损的形式也有相应的规律，不同部位的眼眶内壁在受到冲击时碎裂的情况不同，在这个基础上，就可以对眼眶内壁进行撞击仿真分析，从骨材质，骨密度，骨厚度，骨形状结构角度建立模型，同时结合对受冲击的情况进行汇总分析配合医生的临床诊断，在治疗的初期就可以对破损区域的范围进行缩小；利用Ansys软件对眼眶内壁进行撞击仿真分析，模拟仿真头骨受撞击的真实情况，得出危险破损点；

步骤六、精确患者受损区域

镜像破损点模型结合对CT平面图的分析即通过CT平面图得出的骨折最大深度与最大宽度及仿真分析，由仿真分析得出的骨折危险区域，最终达到以较高精度确定患者受损部位的边界轮廓线；

步骤七、根据受损区域建立修补骨片模型

最后将未受损眼眶镜像与边界轮廓线重合，将未受损眼眶中被边界轮廓线包围的区域提取出来，认为此区域的曲率、面积与受损眼眶受损区域未受损前一致，因此根据此区域曲面增厚建立修补骨片模型；

步骤八、3D打印修补骨片

运用3D打印技术将此模型打印出来，并通过此3D打印模型制定大小和曲度完全适配缺损的修补骨片。

步骤五中所述的得出危险破损点的具体方法如下：

21、头骨几何模型处理

Mimics中对头骨的切割，会导致头骨的部分表面未完全闭合，因此需要将三维模型进行修补，Mimics提供了与其他应用领域的接口，方便用户根据实际需要进行组合，将头骨模型保存为STL格式，在导入Rapid Form中进行修补；

22、有限元模型的生成

经过以上步骤处理后，头骨的缺陷得到修补且表面更加光滑，将其保存为DXF格式，然后导入HyperMesh可以实现与CAD和有限元求解器之间的数据交换，能够与ABAQUS、ANSYS求解器无缝对接，HyperMesh包含多种网格生成工具及网格自动划分模块，便于操作者创建二维以及三维的有限元模型。HyperMesh具有方便的网格参数调节功能，可以使操作者调节单元偏置梯度、单元密度、网格划分算法。

步骤21中所述的在导入Rapid Form中进行修补的具体方法如下：

211)进入片面模式，使用“整体在片面化”工具，将边线长度的乘数设为1.5，生成正解封闭的面片数据，整体在片面化命令是使用面片的曲率流删除缺陷，在创建面片结构，而且此命令适用于开放面片数据和封闭面片数据两者；

212)使用“面片的优化”工具可以提高面片品质，选择的方法为“优质面片转换”，此方法会在初始面片区率较高的领域生成较多的单元面，在相对平缓的领域生成较少单元面。在尺寸选项中分别将“边线最小长度的乘数”和“边线最大长度的乘数”设置为0.5和8；

3)使用“修补精灵”工具清除悬挂单元面、交叉单元面以及重叠单元面；

4)使用智能刷，使眼眶表面光滑平整，以利于眼眶表面载荷的施加；

5)整体在片面化、面片的优化、修补精灵、智能刷工具可以根据处理后的面片效果重复交叉使用。

步骤22所述的有限元模型生成的具体步骤如下：

221)导入到HyperMesh中的头骨是自带三角形网格的二维曲面模型；查看二维网格的质量发现会有很多的失败单元，这些单元需要一个个手动修改，直至失败单元网格个数减少为0，为减少工作量，先利用二维网格清理工具对网格进行清理，减少不规则以及变形过大的网格；

222)查找自由边，使用自由边查找工具，使自由边显示出来，自由边将会以红色的线显示，此时需要对自由边清除或是修补附近缺失的网格；

223)生成三维网格，当自由边及失败网格均得到清理修复之后，便可以使用Tetramesh功能生成三维网格了。

本发明的有益效果为：

1、由于计算出来的骨折面积接近实际贴近精准医疗，作为下一代诊疗技术，精准医疗具有重要的理论和实践意义。一方面，精准医疗理论研究有利于完善数据科学学科体系，丰富和创新临床及转化医学研究；另一方面，基于大数据的精准医疗服务可以实现在合适的时间给予患者以合适的治疗，保障医疗安全，改善医院经营管理；

2、由于骨片制作在术前完成，缩短了手术时长，降低由于手术时间过长造成的意外风险；

3、由于骨片曲度大小贴合患者受损区域，提高手术效果，减少术后并发症的发生；

4、降低手术成本，减轻患者医疗负担。

附图说明

图1为一患者未受损的左眼眶示意图；

图2为一患者受损的有眼眶示意图；

图3为一患者三维重建模型

图4为该患者镜像处理后的模型

图5为该患者调解处理后的模型

图6为该患者眼眶受损区域

图7为钛网模型

图8为流程图

具体实施方式

人的头骨在一定精度下，可以视为对称结构。眼眶爆裂性骨折手术只有在达到一定程度是才有必要进行，所以提出了假设一，在眼眶爆裂性骨折需要进行手术的前提下，骨壁位移超过3毫米，即可以在CT图上明显体现出来。同时，借助Mimics软件对头骨进行三维模型重建，可以发觉受损眼眶与不受损眼眶内壁的差别，如图1所示未受损眼眶，眶内壁平滑，受损眼眶如图2所示，有明显凹陷。

参阅图8，一种眶壁爆裂性骨折钛网的预制做方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立患者头骨模型

参阅图3，首先通过导入模块，将头颅的薄层后重建数据以Dicom格式导入Mimics软件，运用阈值选取技术即Thresholding,软件自动得出该头颅的阈值范围，接受这一阈值范围后，便得到了该头颅的原始蒙罩，其次，运用区域增长极术即3D Region Growing，选取欲重建的处工作平台以外的颅骨区域，进而得到新的蒙罩，随后在三维实体即3D Object菜单导入新蒙罩并加以运算，便获得了该头颅的三维重建模型。

步骤二、切割与分离

选择切割菜单栏下的多平面工具即Polyplane于颅骨完整侧来勾画切割范围，得到切割轮廓线后，将颅骨旋转到有颅骨缺损侧观察轮廓线是否合适，通过移动节点、增加或减少节点的方式来调整轮廓线，以便使最终获得的数字模型能满意的填充到颅骨缺损处。由此得到一个由轮廓线以内及轮廓线以外两部分组成的新模型。通过颜色差异将新模型的两部分区分开来。

步骤三、镜像

参阅图4，选择模拟菜单栏下的测量和分析工具即Measure and Analyse，调整软件预先设定的矢状面，使该矢状面能将颅骨平分为左右两半，平分的原则是在至下而上的横断面上，该矢状面要通过鼻腔的中心，随后选择模拟菜单栏下的镜像工具，软件自动将破损对侧的数据镜像复制到眼眶破损处，便得到了眼眶破损区的数字模型，单侧眼眶破损超过中线的患者,通过镜像复制得到的数字模型将不能覆盖整个缺损面,这时可以增加节点填补中线缺损处，对于双侧眼眶破损患者,可采用分别提取对侧肌肉组织弧度的方法来大致提取数据,获得一个近似于颅骨的曲面,再通过移动节点以及改变曲面弧度的方法将曲面调节到理想状态。

步骤四、重置与重新调节

参阅图5，由于该数字模型与眼眶破损区没有良好的对位关系，则需重新设置其位置。选择模拟菜单栏下的重置工具，移动和旋转数字模型，以使该数字模型与颅骨缺损处达到最佳吻合，由于得到的数字模型在多数情况下都不能将颅骨缺损处填满，由此需要修改该数字模型的三维参数，以便使其能完全填充颅骨缺损处。

步骤五、提高所确定的受损区域与实际受损区域的符合程度

眼眶必然存在易碎部位和不易碎部位，根据受力的角度和形式，易碎部位和不易碎部位也会发生相应的变化，同样破损的形式也有相应的规律，不同部位的眼眶内壁在受到冲击时碎裂的情况不同，例如骨裂、骨碎、骨错位等，在这个基础上，就可以对眼眶内壁进行撞击仿真分析，从骨材质，骨密度，骨厚度，骨形状结构等角度建立模型，同时结合对受冲击的情况进行汇总分析配合医生的临床诊断，在治疗的初期就可以对破损区域的范围进行缩小；

利用Ansys软件对眼眶内壁进行撞击仿真分析，模拟仿真头骨受撞击的真实情况，得出危险破损点，方法如下；

21、头骨几何模型处理

Mimics中对头骨的切割，会导致头骨的部分表面未完全闭合，因此需要将三维模型进行修补，Mimics提供了与其他应用领域的接口，方便用户根据实际需要进行组合，将头骨模型保存为STL格式，在导入Rapid Form中进行修补。

在Rapid form中的操作可以分为以下几个步骤；

211)进入片面模式，使用“整体在片面化”工具，将边线长度的乘数设为1.5，生成正解封闭的面片数据，整体在片面化命令是使用面片的曲率流删除缺陷，在创建面片结构，而且此命令适用于开放面片数据和封闭面片数据两者。

212)使用“面片的优化”工具可以提高面片品质。选择的方法为“优质面片转换”，此方法会在初始面片区率较高的领域生成较多的单元面，在相对平缓的领域生成较少单元面。在尺寸选项中分别将“边线最小长度的乘数”和“边线最大长度的乘数”设置为0.5和8。

213)使用“修补精灵”工具清除悬挂单元面、交叉单元面以及重叠单元面等。

214)使用智能刷，使眼眶表面光滑平整，以利于眼眶表面载荷的施加。

215)整体在片面化、面片的优化、修补精灵、智能刷工具可以根据处理后的面片效果重复交叉使用。

21、有限元模型的生成

经过以上步骤处理后，头骨的缺陷得到修补且表面更加光滑，将其保存为DXF格式，然后导入HyperMesh可以实现与CAD和有限元求解器之间的数据交换，能够与ABAQUS、ANSYS等求解器无缝对接，HyperMesh包含多种网格生成工具及网格自动划分模块，便于操作者创建二维以及三维的有限元模型。HyperMesh具有方便的网格参数调节功能，可以使操作者调节单元偏置梯度、单元密度、网格划分算法等。

221)导入到HyperMesh中的头骨是自带三角形网格的二维曲面模型。查看二维网格的质量发现会有很多的失败单元，这些单元需要一个个手动修改，直至失败单元网格个数减少为0。为减少工作量，先利用二维网格清理工具对网格进行清理，减少不规则以及变形过大的网格。

222)查找自由边。使用自由边查找工具，使自由边显示出来，自由边将会以红色的线显示。此时需要对自由边清除或是修补附近缺失的网格。

223)生成三维网格。当自由边及失败网格均得到清理修复之后，便可以使用Tetramesh功能生成三维网格了。

生成可用于三维重建的实体模型。MIMICS生成的三维图像不能进行有限元分析，需要通过逆向工程软件在处理成为实体模型。可用的软件很多，本文选用的是HyperMesh。将初步重建的三维可视化几何图像文件输入逆向工程软件HyperMesh。

经过以上这些处理后就可以将头骨三维模型导入有限元分析软件进行力学分析模拟了。

步骤六、精确患者受损区域

参阅图6，镜像破损点模型结合对CT平面图的分析即通过CT平面图得出的骨折最大深度与最大宽度及仿真分析，由仿真分析得出的骨折危险区域，最终达到以较高精度确定患者受损部位的边界轮廓线；

步骤七、根据受损区域建立修补骨片模型

参阅图7，最后将未受损眼眶镜像与边界轮廓线重合，将未受损眼眶中被边界轮廓线包围的区域提取出来，认为此区域的曲率、面积与受损眼眶受损区域未受损前一致，因此根据此区域曲面增厚建立修补骨片模型；

步骤八、3D打印修补骨片

运用3D打印技术将此模型打印出来，并通过此3D打印模型制定大小和曲度完全适配缺损的修补骨片。

Claims (4)

1.一种眶壁爆裂性骨折钛网的预制做方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立患者头骨模型

首先通过导入模块，将头颅的薄层后重建数据以Dicom格式导入Mimics软件，运用阈值选取技术,软件自动得出该头颅的阈值范围，接受这一阈值范围后，便得到了该头颅的原始蒙罩，其次，运用区域增长技 术，选取欲重建的处工作平台以外的颅骨区域，进而得到新的蒙罩，随后在三维实体菜单导入新蒙罩并加以运算，便获得了该头颅的三维重建模型；

步骤二、切割与分离

选择切割菜单栏下的多平面工具于颅骨完整侧来勾画切割范围，得到切割轮廓线后，将颅骨旋转到有颅骨缺损侧观察轮廓线是否合适，通过移动节点、增加或减少节点的方式来调整轮廓线，以便使最终获得的数字模型能满意的填充到颅骨缺损处，由此得到一个由轮廓线以内及轮廓线以外两部分组成的新模型，再通过颜色差异将新模型的两部分区分开来；

步骤三、镜像

选择模拟菜单栏下的测量和分析工具即Measure and Analyse，调整软件预先设定的矢状面，使该矢状面能将颅骨平分为左右两半，平分的原则是在至下而上的横断面上，该矢状面要通过鼻腔的中心，随后选择模拟菜单栏下的镜像工具，软件自动将破损对侧的数据镜像复制到眼眶破损处，便得到了眼眶破损区的数字模型，单侧眼眶破损超过中线的患者,通过镜像复制得到的数字模型将不能覆盖整个缺损面,这时可以增加节点填补中线缺损处，对于双侧眼眶破损患者,可采用分别提取对侧肌肉组织弧度的方法来大致提取数据,获得一个近似于颅骨的曲面,再通过移动节点以及改变曲面弧度的方法将曲面调节到理想状态；

步骤四、重置与重新调节

由于该数字模型与眼眶破损区没有良好的对位关系，则需重新设置其位置，选择模拟菜单栏下的重置工具，移动和旋转数字模型，以使该数字模型与颅骨缺损处达到最佳吻合，由于得到的数字模型在多数情况下都不能将颅骨缺损处填满，由此需要修改该数字模型的三维参数，以便使其能完全填充颅骨缺损处；

步骤五、提高所确定的受损区域与实际受损区域的符合程度

眼眶必然存在易碎部位和不易碎部位，根据受力的角度和形式，易碎部位和不易碎部位也会发生相应的变化，同样破损的形式也有相应的规律，不同部位的眼眶内壁在受到冲击时碎裂的情况不同，在这个基础上，就可以对眼眶内壁进行撞击仿真分析，从骨材质，骨密度，骨厚度，骨形状结构建立模型，同时结合对受冲击的情况进行汇总分析配合医生的临床诊断，在治疗的初期就可以对破损区域的范围进行缩小；利用Ansys软件对眼眶内壁进行撞击仿真分析，模拟仿真头骨受撞击的真实情况，得出危险破损点；

步骤六、精确患者受损区域

镜像破损点模型结合对CT平面图的分析即通过CT平面图得出的骨折最大深度与最大宽度及仿真分析，由仿真分析得出的骨折危险区域，最终达到以较高精度确定患者受损部位的边界轮廓线；

步骤七、根据受损区域建立修补骨片模型

最后将未受损眼眶镜像与边界轮廓线重合，将未受损眼眶中被边界轮廓线包围的区域提取出来，认为此区域的曲率、面积与受损眼眶受损区域未受损前一致，因此根据此区域曲面增厚建立修补骨片模型；

步骤八、3D打印修补骨片

运用3D打印技术将此模型打印出来，并通过此3D打印模型制定大小和曲度完全适配缺损的修补骨片。

2.根据权利要求1所述的一种眶壁爆裂性骨折钛网的预制做方法，其特征在于，步骤五中所述的得出危险破损点的具体方法如下：

21、头骨几何模型处理

Mimics中对头骨的切割，会导致头骨的部分表面未完全闭合，因此需要将三维模型进行修补，Mimics提供了与其他应用领域的接口，方便用户根据实际需要进行组合，将头骨模型保存为STL格式，在导入Rapid Form中进行修补；

22、有限元模型的生成

经过以上步骤处理后，头骨的缺陷得到修补且表面更加光滑，将其保存为DXF格式，然后导入HyperMesh可以实现与CAD和有限元求解器之间的数据交换，能够与ABAQUS、ANSYS求解器无缝对接，HyperMesh包含多种网格生成工具及网格自动划分模块，便于操作者创建二维以及三维的有限元模型；HyperMesh具有方便的网格参数调节功能，可以使操作者调节单元偏置梯度、单元密度、网格划分算法。

3.根据权利要求2所述的一种眶壁爆裂性骨折钛网的预制做方法，其特征在于，步骤21中所述的在导入Rapid Form中进行修补的具体方法如下：

211)进入片面模式，使用“整体在片面化”工具，将边线长度的乘数设为1.5，生成正解封闭的面片数据，整体在片面化命令是使用面片的曲率流删除缺陷，再创建面片结构，而且此命令适用于开放面片数据和封闭面片数据两者；

212)使用“面片的优化”工具可以提高面片品质，选择的方法为“优质面片转换”，此方法会在初始面片区率较高的领域生成较多的单元面，在相对平缓的领域生成较少单元面,在尺寸选项中分别将“边线最小长度的乘数”和“边线最大长度的乘数”设置为0.5和8；

213)使用“修补精灵”工具清除悬挂单元面、交叉单元面以及重叠单元面；

214)使用智能刷，使眼眶表面光滑平整，以利于眼眶表面载荷的施加；

215)整体在片面化、面片的优化、修补精灵、智能刷工具可以根据处理后的面片效果重复交叉使用。

4.根据权利要求2所述的一种眶壁爆裂性骨折钛网的预制做方法，其特征在于，步骤22所述的有限元模型生成的具体步骤如下：

221)导入到HyperMesh中的头骨是自带三角形网格的二维曲面模型；查看二维网格的质量发现会有很多的失败单元，这些单元需要一个个手动修改，直至失败单元网格个数减少为0，为减少工作量，先利用二维网格清理工具对网格进行清理，减少不规则以及变形过大的网格；

222)查找自由边，使用自由边查找工具，使自由边显示出来，自由边将会以红色的线显示，此时需要对自由边清除或是修补附近缺失的网格；

223)生成三维网格，当自由边及失败网格均得到清理修复之后，便可以使用Tetramesh功能生成三维网格了。