CN107951538A - 联合骨切除与钛板定位的3d打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合骨切除与钛板定位的3D打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法，重建颌骨三维模型和腓骨三维模型；根据病变范围确定颌骨截骨平面，预期颌骨模型的设计；将预成形钛板固定在预期颌骨模型实体的目标位置后进行二次扫描；获得钛板‑预期颌骨复合模型和钛板模型；对钛板‑预期颌骨复合模型、钛板模型及预期颌骨模型的STL文件进行配准对齐；设计下颌骨截骨导板和腓骨截骨导板，将钛板模型中的钉孔对应映射到下颌骨截骨导板和腓骨截骨导板上，形成特制的快速成型导板。本发明制备的腓骨截骨工具所取得的腓骨将有精确就位钉孔，能按照设计预期被准确转移到颌骨上，并利用预弯钛板直接使所取骨段准确就位。
Description
技术领域
本发明涉及颌骨手术工具和颌骨功能性重建技术领域，尤其涉及一种联合骨切除与钛板定位的3D打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法。
背景技术
近年来，数字化外科技术在颌骨缺损修复重建中的应用越来越广泛。通过虚拟手术，外科医师们能够逼真地模拟病变切除、移植骨瓣制备与塑形等关键步骤，并可将钛板弯制等费时费力的繁琐操作前移至术前完成，因而在提高手术精度的同时也极大地提高了手术效率。目前，为实现高精度的颌骨重建手术，主要有导航技术和 3D打印外科导板技术。前者可通过与术前影像资料的配准，实时指导病变的切除与移植物的安放，拥有较高的自由性。后者，依据数字化手术的设计流程，术前制作能够引导手术的个性化外科手术工具，术中操作相对简单，费用也相对低廉，对环境要求低，因此目前其临床应用范围更为广泛。
在传统的3D打印外科导板技术应用在颌骨功能性重建中，只能完成颌骨截骨位置的确定，误差较大；近2-3年来结合手术模拟技术，该工具可以对腓骨截骨位置进行确定。但是即便采用了颌骨截骨导板、腓骨截骨导板这两种外科导板技术的辅助，实际的手术效果与术前的模拟设计仍会存在一定的差距。有时即便每一段的截骨都已经精确，但拼合合并过程仍然常常发生前移或扭转，导致术后效果欠佳。当重建的范围包括髁突时，情况更为严重，重建的髁突甚至不在关节窝内。人体咬合系统相当精密，颌骨重建的微小误差都有可能导致术后患者失去咬合功能，造成生活质量的极度下降。
发明人在中南大学湘雅医院临床科研基金(编号：2015102)和湖南省重点研发计划(编号：2017SK2161)的资助下，其团队对大量案例进行了分析，认为除了设计误差外，误差主要是由于下颌骨节段切除后，余留的颌骨会发生三维空间上的位置改变而造成。余留的颌骨段越短，其位置改变的可能性与发生的程度也越大。即使在术前根据打印的颌骨模型弯制好钛板，但在恢复下颌骨的连续性时，余留颌骨的表面解剖标志不足以引导钛板的精确定位。术者在进行操作时，存在较大的主观性，往往难以兼顾咬合关系和髁突位置的准确恢复。
部分研究中虽然尝试通过手工方式在颌骨截骨导板上手工转移钛板钉孔，但由于手工操作误差，仍难以恢复良好的咬合情况。并且由于腓骨段移植后最终将与颌骨愈合为一体，因此腓骨段的空间位置精确确定至关重要，而由于腓骨在手术移取过程中需要保留血运结构，难以用颌骨导板上预备钉孔的方法进行预备，这导致已有的外科导板技术和方法均无法将钛板上的钉孔位置转移到腓骨截骨导板上。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种其既能够辅助颌骨、腓骨的截断定位，又能够较高精度的辅助制备的骨段快速定位到预期位置的联合骨切除与钛板定位的3D打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明的联合骨切除与钛板定位的3D 打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法，包括如下步骤：
步骤1、采集患者颌骨和腓骨供区的数据并导入手术设计模拟软件中，重建颌骨三维模型和腓骨三维模型；
步骤2、根据病变范围确定颌骨截骨平面，并将腓骨模拟移植至颌骨缺损区，形成重建后的预期颌骨模型，根据预期颌骨形态反求各腓骨段长度与截骨角度，完成预期颌骨模型的设计；
步骤3、打印预期颌骨模型实体，在术前预成形手术用钛板；
步骤4、将预成形钛板固定在预期颌骨模型实体的目标位置后进行二次扫描；将扫描获得的数据再次进行手术模拟重建，分别获得钛板-预期颌骨复合模型和钛板模型；
步骤5、对钛板-预期颌骨复合模型、钛板模型及预期颌骨模型的STL文件进行配准对齐，将二次扫描获取的数据定位回设计坐标系；
步骤6、数字化外科导板设计：常规方法设计下颌骨截骨导板和腓骨截骨导板，将钛板模型中的钉孔对应映射到下颌骨截骨导板上，形成带有钛板定位孔的下颌骨截骨数字化外科导板；计算预期颌骨模型中的各腓骨段空间位置与腓骨三维模型中原始腓骨空间位置的变换关系，使用相同的变换将预期颌骨上的钉孔位置转移到腓骨截骨导板上，形成带有钛板定位孔的腓骨截骨数字化外科导板；
步骤7、外科导板制作：将数字化外科导板导出到3D打印机完成产品制作及后处理。
进一步的，所述的联合骨切除与钛板定位的3D打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法，步骤6的具体步骤如下：
第一步：下颌骨截骨导板设计过程中依据钛板模型，确保其范围能涵盖2个或以上钛板钉孔，对钛板模型中钉孔位置进行逐个拟合，在设计坐标系中设计圆柱体标记，其方向、中心点与钛板模型中钉孔一致，将下颌骨截骨导板覆盖范围内的圆柱体标记高度设置为大于下颌骨截骨导板厚度的数值，轴向移动使圆柱体标记贯穿下颌骨截骨导板，形成带有钛板定位孔的下颌骨截骨数字化外科导板；
第二步：将预期颌骨模型中的各腓骨段移动回到腓骨三维模型中进行还原配准，得出各腓骨段从预期颌骨模型到腓骨三维模型还原配准的坐标变换关系：
式中：
其中：(x',y',z')为预期颌骨模型中某一点P'的坐标，为点P' 经过还原配准后在腓骨三维模型中的对应坐标，参量θ，α和β，分别表示绕z'轴、绕x'轴和绕y'轴旋转的角度，x0,y0,z0分别表示x'，y'， z'三轴的平移量，tx,ty,tz为三轴的Tidwell系统常量，其中Tidwell 常量根据影像采集系统的畸变参数和位移距离计算得出。； x0,y0,z0,θ,α,β六个参数可以由手术设计模拟软件计算得到；
第三步：将预期颌骨范围内的圆柱体标记的顶点和底点作为 (x',y',z')，带入上述公式，反求回初始坐标从而将圆柱体标记参数化的移动到腓骨原始位置，然后轴向移动使之穿过腓骨截骨导板，并进行布尔运算，形成带有钛板定位孔的腓骨截骨数字化外科导板。
进一步的，步骤1中采用CBCT或螺旋CT分别扫描患者上下颌骨和腓骨供区，将影像学资料以Di com标准格式导入手术设计模拟软件，使用阈值划分、区域增长及多层套索等功能进行影像分割并重建上下颌骨和腓骨三维模型。
进一步的，数字化外科导板上的钛板定位孔的尺寸通过临床实验分析得出。
进一步的，所述钛板定位孔的尺寸为1.80mm-4.50mm；优选为 1.83mm、2.83mm、3.13mm或4.33mm。
上述方法制备的腓骨截骨导板由多个分段组成，每个分段的内表面分别与其对应的腓骨段外表面相吻合，每个分段的侧边分别与对应的腓骨段切割路径相吻合，每个分段上形成有钛板定位孔，所述钛板定位孔与钛板模型中覆盖对应腓骨段节段上的钉孔相对应，相邻分段之间通过支架连接。
上述方法制备的颌骨截骨导板包括至少一个截颌骨单元，截颌骨单元的内表面与患者下颌骨外侧面吻合，截颌骨单元临近下颌骨病变区域的端面作为截颌骨的定位面，定位面与患者的下颌骨病变区域的切割路径相吻合，截颌骨单元上设有钛板定位孔，所述钛板定位孔与钛板模型中覆盖在颌骨上的节段上的钉孔相对应。
所述颌骨截骨导板由一对截颌骨单元组成，两个截颌骨单元中的定位面围成的区域覆盖患者下颌骨病变区域。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、制作的外科导板能同时引导进行下颌骨节段切除与预成形重建钛板定位，准确恢复咬合关系并维持髁突位置的稳定，手术精度更高；
2、通过在腓骨截骨的定位板上的开孔，该开孔位置由钛板孔位置反算而来，该孔能够将腓骨截骨工具所取得的腓骨准确引导到颌骨上，并利用预弯钛板直接使所取骨段准确就位；外科导板通过二次扫描制作的定位孔具有定位钛板、定位导板的双重功能；
3、经过外科导板的预备，颌骨各断端上将有明确的钛钉(螺丝) 固定位置，从而在拼合各段骨时缩短时间、保证精度；
4、保留了传统3D打印外科导板工具的优点：经过分析CT影像学数据，可在设计钛板钉孔的位置时，尽量避免对牙根、下牙槽神经血管束等重要结构的损伤；
5、能够显著提升腓骨截骨过程中的稳定性，并能让腓骨截断后的安放过程更加高效。
附图说明
图1为本发明腓骨截骨导板结构示意图；
图2为本发明钛板-预期颌骨复合模型结构示意图；
图3为腓骨被截时腓骨截骨导板与腓骨三维模型示意图；
图4为下颌骨截骨导板截骨示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种联合骨切除与钛板定位的3D打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法，包括如下步骤：
步骤1、个性化采样及手术模拟：采用CBCT或螺旋CT分别扫描患者上下颌骨和腓骨供区，将影像学资料以Dicom标准格式导入手术设计模拟软件中，使用阈值划分、区域增长及多层套索等功能进行影像分割并重建上下颌骨和腓骨三维模型，如图3所示。
步骤2、根据病变范围确定颌骨截骨平面，在缺损区描绘多个空间点，形成空间折线，并将腓骨模拟移植至颌骨缺损区，形成重建后的预期颌骨模型，根据预期颌骨形态反求各腓骨段长度与截骨角度，完成预期颌骨模型的设计；
步骤3、打印预期颌骨模型实体，在术前预成形手术用钛板；
步骤4、预成形钛板与预期颌骨模型相对空间关系的数据获取：将预成形钛板用塑料结扎线固定在预期颌骨模型实体的目标位置后进行二次CT扫描；将扫描获得的数据再次进行手术模拟重建，分别获得“钛板-预期颌骨复合模型”、“钛板模型”，如图2所示；
步骤5、对钛板-预期颌骨复合模型、钛板模型及预期颌骨模型的STL文件进行配准对齐，将二次扫描获取的数据定位回设计坐标系；
步骤6、数字化外科导板设计：常规方法设计下颌骨截骨导板和腓骨截骨导板，将钛板模型中的钉孔对应映射到下颌骨截骨导板上，形成带有钛板定位孔的下颌骨截骨数字化外科导板；计算预期颌骨模型中的各腓骨段空间位置与腓骨三维模型中原始腓骨空间位置的变换关系，使用相同的变换将预期颌骨上的钉孔位置转移到腓骨截骨导板上，形成带有钛板定位孔的腓骨截骨数字化外科导板；如图3和图4所示；
步骤7、外科导板制作：将数字化外科导板导出到3D打印机完成产品制作及后处理，如图1和图2所示。
本实施例中，步骤6的具体步骤如下：
第一步：下颌骨截骨导板设计过程中依据钛板模型，确保其范围能涵盖2个或以上钛板钉孔，对钛板模型中钉孔位置进行逐个拟合，在设计坐标系中设计圆柱体标记，其方向、中心点与钛板模型中钉孔一致，将下颌骨截骨导板覆盖范围内的圆柱体标记高度设置为大于下颌骨截骨导板厚度的数值，轴向移动使圆柱体标记贯穿下颌骨截骨导板，形成带有钛板定位孔的下颌骨截骨数字化外科导板；
第二步：将预期颌骨模型中的各腓骨段移动回到腓骨三维模型中进行还原配准，得出各腓骨段从预期颌骨模型到腓骨三维模型还原配准的坐标变换关系：
式中：
其中：(x',y',z')为预期颌骨模型中某一点P'的坐标，为点P' 经过还原配准后在腓骨三维模型中的对应坐标，参量θ，α和β，分别表示绕z'轴、绕x'轴和绕y'轴旋转的角度，x0,y0,z0分别表示x'y'z'三轴的平移量，tx,ty,tz为三轴的Tidwell系统常量；x0,y0,z0,θ,α,β六个参数可以由手术设计模拟软件计算得到；
第三步：将预期颌骨范围内的圆柱体标记的顶点和底点作为 (x',y',z')，带入上述公式，反求回初始坐标从而将圆柱体标记参数化的移动到腓骨原始位置，然后轴向移动使之穿过腓骨截骨导板，并进行布尔运算，形成带有钛板定位孔的腓骨截骨数字化外科导板。
坐标变换关系的推导过程如下：设P'经过平移和旋转最终变为坐标为求得的值，现引入参量θ，α和β，分别表示绕z' 轴、绕x'轴和绕y'轴旋转的角度；x0,y0,z0分别表示x'y'z'三轴的平移量， tx,ty,tz为三轴的Tidwell系统常量，其中Tidwell常量根据影像采集系统的畸变参数和位移距离计算得出。可知P'(x',y',z')先经过绕z'轴旋转θ再绕x'轴旋转α，最后再绕y'轴旋转β，将所得的坐标值再经过平移变换即可得到。
设P'(x',y',z')经过绕z'轴旋转θ后的坐标为(xθ,yθ,zθ)，经过绕x'轴旋转α后的坐标为(xα,ya,za)，经过绕y'轴旋转β后的坐标为(xβ,yβ,zβ)，由转轴公式可得：
其中
根据上述公式，可以参数化空间内模型的移动，通过求解计算获得x0,y0,z0,θ,α,β六个参数。
本实施例中，步骤1、步骤4中的采样过程，可用影像学设备、光学设备进行采样，不影响本技术的关键步骤。
本实施例中，手术模拟过程、手术模拟软件不论算法，只要能够完成影像数据到设计模型的逆向设计，最终生成需要的预期颌骨模型和各重建模型，不影响本技术的关键步骤。
本实施例中，数字化外科导板上的钛板定位孔的尺寸通过临床实验分析得出，所述钛板定位孔的尺寸为1.80mm-4.50mm；优选为 1.83mm、2.83mm、3.13mm或4.33mm，钛板定位孔在这样一个取值范围既有利于冷却降温又有利于精度控制，如图1所示。
上述方法制备的腓骨截骨导板由多个分段1组成，每个分段1 的内表面分别与其对应的腓骨段外表面相吻合，每个分段1的侧边分别与对应的腓骨段切割路径相吻合，每个分段1上形成有第一钛板定位孔2，所述第一钛板定位孔2与钛板模型中覆盖对应腓骨段节段上的钉孔3相对应，相邻分段之间通过支架4连接。
上述方法制备的颌骨截骨导板包括至少一个截颌骨单元，截颌骨单元的内表面与患者下颌骨外侧面吻合，截颌骨单元临近下颌骨病变区域的端面作为截颌骨的定位面，定位面与患者的下颌骨病变区域的切割路径相吻合，具体的，上述方法制备的颌骨截骨导板由一对截颌骨单元5组成，两个截颌骨单元5的内表面与患者下颌骨外侧面吻合，两个截颌骨单元5的侧端面成为定位面，两定位面围成的区域覆盖患者下颌骨病变区域6，两个截颌骨单元5的定位面与下颌骨病变区域6切割路径吻合，两个截颌骨单元5上设有第二钛板定位孔7，所述第二钛板定位孔7与钛板模型中覆盖在颌骨上的节段上的钉孔3相对应。
利用上述技术方案制备的数字化外科导板对7例患者进行下颌骨缺损修复，实验数据及结果表面：7例患者术中钛板均能可靠就位，咬合关系恢复良好，下颌骨外形满意。重建颌骨与术前设计模型的整体偏差为0.89±0.96mm，钛板的整体偏差为0.33±0.36mm。患侧髁突顶点、患侧下颌角点、颏点及腓骨段近中下缘点的偏差分别为1.54±0.66mm、1.66±0.68mm、1.51±0.36mm和1.21±0.42mm。
以上实例仅为本发明一种较好的例子，但并非发明内容全部，一切在发明精神范围内所做的等同变换，都将在本发明保护范围以内。
Claims (5)
1.联合骨切除与钛板定位的3D打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、采集患者颌骨和腓骨供区的数据并导入手术设计模拟软件中，重建颌骨三维模型和腓骨三维模型；
步骤2、根据病变范围确定颌骨截骨平面，并将腓骨模拟移植至颌骨缺损区，形成重建后的预期颌骨模型，根据预期颌骨形态反求各腓骨段长度与截骨角度，完成预期颌骨模型的设计；
步骤3、打印预期颌骨模型实体，在术前预成形手术用钛板；
步骤4、将预成形钛板固定在预期颌骨模型实体的目标位置后进行二次扫描；将扫描获得的数据再次进行手术模拟重建，分别获得钛板-预期颌骨复合模型和钛板模型；
步骤5、对钛板-预期颌骨复合模型、钛板模型及预期颌骨模型的STL文件进行配准对齐，将二次扫描获取的数据定位回设计坐标系；
步骤6、数字化外科导板设计：常规方法设计下颌骨截骨导板和腓骨截骨导板，将钛板模型中的钉孔对应映射到下颌骨截骨导板上，形成带有钛板定位孔的下颌骨截骨数字化外科导板；计算预期颌骨模型中的各腓骨段空间位置与腓骨三维模型中原始腓骨空间位置的变换关系，使用相同的变换将预期颌骨上的钉孔位置转移到腓骨截骨导板上，形成带有钛板定位孔的腓骨截骨数字化外科导板；
步骤7、外科导板制作：将数字化外科导板导出到3D打印机完成产品制作及后处理。
2.根据权利要求1所述的联合骨切除与钛板定位的3D打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法，其特征在于：步骤6的具体步骤如下：
第一步：下颌骨截骨导板设计过程中依据钛板模型，确保其范围能涵盖2个或以上钛板钉孔，对钛板模型中钉孔位置进行逐个拟合，在设计坐标系中设计圆柱体标记，其方向、中心点与钛板模型中钉孔一致，将下颌骨截骨导板覆盖范围内的圆柱体标记高度设置为大于下颌骨截骨导板厚度的数值，轴向移动使圆柱体标记贯穿下颌骨截骨导板，形成带有钛板定位孔的下颌骨截骨数字化外科导板；
第二步：将预期颌骨模型中的各腓骨段移动回到腓骨三维模型中进行还原配准，得出各腓骨段从预期颌骨模型到腓骨三维模型还原配准的坐标变换关系：
式中：
其中：(x',y',z')为预期颌骨模型中某一点P'的坐标，为点P'经过还原配准后在腓骨三维模型中的对应坐标，参量θ，α和β，分别表示绕z'轴、绕x'轴和绕y'轴旋转的角度，x0,y0,z0分别表示x'y'z'三轴的平移量，tx,ty,tz为三轴的Tidwell系统常量；x0,y0,z0,θ,α,β六个参数可以由手术设计模拟软件计算得到；
第三步：将预期颌骨范围内的圆柱体标记的顶点和底点作为(x',y',z')，带入上述公式，反求回初始坐标从而将圆柱体标记参数化的移动到腓骨原始位置，然后轴向移动使之穿过腓骨截骨导板，并进行布尔运算，形成带有钛板定位孔的腓骨截骨数字化外科导板。
3.根据权利要求2所述的联合骨切除与钛板定位的3D打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法，其特征在于：步骤1中采用CBCT或螺旋CT分别扫描患者上下颌骨和腓骨供区，将影像学资料以Dicom标准格式导入手术设计模拟软件，使用阈值划分、区域增长及多层套索等功能进行影像分割并重建三维模型和腓骨三维模型。
4.根据权利要求3所述的联合骨切除与钛板定位的3D打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法，其特征在于：数字化外科导板上的钛板定位孔的尺寸通过临床实验分析得出。
5.根据权利要求4所述的联合骨切除与钛板定位的3D打印腓骨重建颌骨手术工具的制造方法，其特征在于：所述钛板定位孔的尺寸为1.80mm-4.50mm。
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