CN108294847B - 一种颅骨缺损修补假体的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种颅骨缺损修补假体的制作方法。所述制作方法包括以下步骤：1）获取颅骨的CT扫描数据；2）基于CT扫描数据进行三维重建，获得颅骨三维模型；3）基于颅骨三维模型勾画缺损颅骨的骨窗，在骨窗边缘选择至少2个位置；4）在步骤3）所选取的位置，从其骨窗边缘延伸出参考弧度；5）由参考弧度生成内表面假体样板和外表面假体样板；6）由内表面样板和外表面样板进行相交运算，取二者重合部分作为颅骨修补假体三维模型；7）基于步骤6）得到的颅骨修补假体三维模型加工获得颅骨修补假体。采用该方法制作的颅骨修补假体的弧度、厚度与原来颅骨更接近，提高颅骨修补假体的精度水平，很好地恢复颅骨缺损部位原来的形貌。

Description

一种颅骨缺损修补假体的制作方法

技术领域

本发明涉及颅骨缺损修补假体领域，更具体地，涉及一种颅骨缺损修补假体的制作方法。

背景技术

针对脑外伤及开颅手术等导致颅骨缺损而进行修补的外科手术叫做颅骨修补术，主要是为了解决缺损区没有对脑组织的有效保护、供血障碍、脑脊液循环异常等问题，与此同时还需要解决外形修复整形的问题。

颅骨成形术是神经外科最常见的手术之一，其主要目的是为了防止脑组织再次损伤，恢复颅腔密闭性，治疗颅骨缺损综合症。除此之外，还有一些重要作用：（1）脑保护作用。一般而言，直径超过3cm的颅骨缺损，只要不是位于颞肌下或枕肌下者，均建议进行修补。（2）美容作用。额眶部的颅骨缺损，即使范围很小、没有不适症状，为了恢复患者原有面貌,达到美观的要求，亦应将其修补。（3）还有防止脑萎缩作用。甚至，颅骨成形术还被证实可以改善脑电图异常、脑血流异常和其它神经障碍。综上所述，对于颅骨缺损进行颅骨修补术是十分必要的。

钛网是颅骨修补术中应用最多的材料，但是钛网通常需要经过塑形后才能使用。早期传统的方法是在术中手工塑形的方法制作颅骨修复补片，术前根据患者颅骨缺损范围、外观和手术者个人经验，裁剪出一定形状的钛网，术中把钛网覆盖于骨窗缘，然后用塑形工具反复调整塑形，以达到适当的弧度，最后裁剪去多余的边缘，使之平滑。这样给手术带来了很大的不方便，使手术时间延长，增大了手术的难度，增加了感染的风险。并且，手工塑形存在形状不确定性的问题，手术结果是否美观亦很难预估。近年来，钛网修补颅骨采用数字化三维塑形，但是由于颅骨缺损区的部位、形状、大小等各不同，使用钛合金网修复后要达到与原部位完全一致仍然存在困难，特别是额骨颧突，以及眉弓等骨性突起的无毛发区，这些是颜面和五官的重要组成结构。且钛网材料本身的弹性，常会使靠近前额和颞骨以及眉弓处的塑形和固定存在困难，手术易造成修补区域和健全一侧不对称，且钛网边缘锋利易割伤皮肤，造成感染及钛网外露，部分患者还会出现弹性纤维贯穿钛网，头发出现与钛网一致的细网格，影响美观。

现有技术中，也有使用除钛网以外的其他材料，通过数字化塑形制备颅骨缺损修补假体。但是获得的修补假体通常存在弧度、厚度与原来颅骨差异较大，不能很好地恢复颅骨缺损部位原来的形貌；另外还存在边缘不光滑，对缺损部位的皮肤会产生机械刺激，导致皮瓣下积血、积液和植入物裸露等并发症的发生。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种颅骨缺损修补假体的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种颅骨缺损修补假体的制作方法，包括以下步骤：

1）获取颅骨的CT扫描数据；

2）基于CT扫描数据进行三维重建，获得颅骨三维模型；

3）基于颅骨三维模型勾画缺损骨窗，在骨窗边缘选择至少2个位置；

4）在步骤3）所选取的每个位置，从其骨窗边缘延伸出一条内参考弧度和一条外参考弧度；

5）由至少2条内参考弧度生成内表面假体样板，由至少2条外参考弧度生成外表面假体样板；

6）由内表面假体样板和外表面假体样板进行相交运算，取二者重合部分作为颅骨修补假体的三维模型；

7）基于步骤6）得到的颅骨修补假体三维模型加工获得颅骨修补假体。

采用该方法能够简便地制作出颅骨修补假体，所制作出的颅骨修补假体的弧度、厚度与原来颅骨更接近，提高颅骨修补假体的精度水平，很好地恢复颅骨缺损部位原来的形貌。

优选的，上述步骤3）中在骨窗边缘选择至少2个位置，其所选取的位置弧度变化程度大于骨窗边缘弧度的平均变化程度；这样的得到的参考弧度具有代表性，有利于获得更接近原来颅骨弧度的修补假体样板。

优选的，所述至少2个位置，位于骨窗的左侧和/或右侧边缘附近（所述左侧、右侧是以人体的左右方向为基准），然后在每个位置沿横向（即平行于冠状面的方向）延伸出所述一条内参考弧度和一条外参考弧度；优选的，所述至少2个位置，位置之间的间隔不小于骨窗纵向（即平行于矢状面方向）尺寸的1/6。

优选的，上述步骤4）中从其骨窗边缘延伸出参考弧度，具体是在指骨窗边缘的位置，沿颅骨上表面延伸出一条外表面参考弧度，沿颅骨下表面延伸出一条内表面参考弧度，即得到至少2条内表面参考弧度、至少2条外表面参考弧度。

优选的，上述步骤5）由参考弧度生成内表面假体样板和外表面假体样板，其过程为：分别设定内表面假体样板和外表面假体样板的厚度，由至少2条内参考弧度向外增加所述厚度生成内表面假体样板，由至少2条外参考弧度向内增加所述厚度生成外表面假体样板，其中内表面假体样板和外表面假体样板的厚度均大于骨窗边缘颅骨的厚度。

在设定厚度下，由内表面参考弧度向上增加厚度生成厚度均匀的内表面样板；在设定厚度下，由外表面参考弧度向下增加厚度生成厚度均匀的外表面样板。

优选的，上述步骤6）由内表面假体样板和外表面假体样板进行相交运算，取二者重合部分作为颅骨修补假体三维模型，具体是：以内表面假体样板的下表面作为颅骨修补假体的内表面，以外表面假体样板的上表面作为颅骨修补假体的外表面，取重合部分作为颅骨修补假体三维模型。由于两个样板的厚度均大于骨窗边缘颅骨的厚度，则两个样板会发生部分重合，取重合部分，则得到弧度、厚度与原来颅骨接近的颅骨修补假体模型。所述颅骨修补假体模型厚度不均匀，并且与原始缺损颅骨边缘衔接自然、平滑过渡，此假体的厚度反映颅骨修补系统的真实厚度。

优选的，通过步骤6）获得颅骨修补假体三维模型后，还包括对其进行弧度调整和边缘光滑处理。

优选的，还包括以头部正中线为基准，对缺损颅骨的骨窗做镜像对称，得到位于缺损另一侧的、大小及位置均与所述骨窗完全对称的缺损颅骨的镜像模型，根据缺损颅骨的镜像模型对获得的颅骨修补假体三维模型进行弧度调整（主要是外表面弧度调整），使得颅骨修补假体的外表面弧度与完好一侧的颅骨外表面弧度相对称，从而使得缺损修补后更美观，也更接近缺损前的原始形貌。

优选的，颅骨修补假体三维模型上设置有用于连接修补假体和原缺损颅骨边缘假体的搭片；

和/或

颅骨修补假体三维模型上开设有用于排除脑脊液的孔隙。

把设计好的颅骨修补假体的三维模型导入3D打印设备进行打印或者CNC机械加工制作，得到颅骨修补假体。

优选的，颅骨修补假体的材料为聚芳醚酮类材料，所述聚芳醚酮类材料为聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮、聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)或聚醚醚酮酮(PEEKK)中的任意一种或至少两种的混合物。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明的颅骨缺损修补假体的制备方法，可以使得修补假体的弧度、厚度与原来颅骨更接近，提高其精度水平，很好地恢复颅骨缺损部位原来的形貌；而且修补假体的边缘光滑，很好地解决了植入物对缺损部位皮肤的刺激问题，术后能显著减少皮瓣下积血、积液和植入物裸露等并发症的发生。

本方法通过在修补假体上设计搭片，使修补假体的边缘与原部位骨窗边缘完全匹配吻合，其边缘光滑，能减少对人体的刺激，制作出的颅骨修补假体与钛网（留有约1cm的边缘用于覆盖于骨窗边缘）不同，能很好地避免了植入物翘边、边缘凸起外露等问题。

附图说明

图1为带有缺损的颅骨的三维重建模型的示意图。

图2为颅骨修补假体三维模型的示意图。

图3为带有搭片的颅骨修补假体三维模型与颅骨配合的示意图。

图4为带有搭片及通孔的颅骨修补假体三维模型的示意图。

图5为带有搭片及通孔的颅骨修补假体的示意图。

图6为本发明的流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图6，本发明的颅骨缺损修补假体的制作过程为：

1、获取CT扫描数据：从医院的影像科获取病人的CT扫描数据，扫描层厚为≤1.25mm，将数据保存为DICOM格式。

2、原始DICOM影像学格式数据都是二维的黑白的图像，通过三维重建软件（如mimics、3Ddoctor等）的识别，按照骨质进行灰度提取并重建得到带有缺损的颅骨的可视化三维模型，如图1所示。

3、把带有缺损的颅骨模型导入设计软件（如Solidworks、Freeform、3-Matic等）中，进行缺损部位颅骨修补假体的设计。具体包括以下步骤：

A.把带有缺损的颅骨模型导入设计软件中，勾勒出缺损颅骨的骨窗。

B.根据骨窗边缘附近弧度（如缺损骨窗边缘1-2cm范围附近的弧度），一般选取2-3个位置延伸出参考弧度，其中至少两个相邻参考弧度位置间隔大于等于总缺损纵径的1/6。在本实施例中需选取横向的参考弧度，即上下颅切径方向的参考弧度，而不采用前后颅切径的参考弧度（所述横向是指平行与冠状面的方向，所述纵向/纵径是指平行与矢状面的方向）。同时在本实施例中，选取两个位置画出需要修补的假体的参考弧度。

上述2个不同位置（位于骨窗的左侧和/或右侧边缘附近，所述左侧、右侧是以人体的左右方向为基准）之间的间隔不小于骨窗纵向尺寸的1/6，其是选取弧度变化较大的位置，或者弧度不规则的位置等典型的弧度位置，如颞骨部位等，在两个位置分别描画出内外参考弧度。

C.依据步骤A中勾勒的骨窗边缘和步骤B中所延伸出的假体内外参考弧度，由设计软件自动生成假体样板。

具体是以在骨窗处勾勒出的缺损颅骨的轮廓为边，以参考弧度为指引，基于设定的内外表面假体样板的厚度，生成弧度与原来颅骨接近的内表面假体样板a和外表面假体样板b，其中内外表面假体样板的厚度均大于骨窗边缘颅骨的厚度。

D.把内表面假体样板a和外表面假体样板b进行相关运算，得到厚度可能不均匀的、并且与原始缺损颅骨边缘衔接的颅骨修补假体，此颅骨修补假体的厚度反映颅骨修补系统的真实厚度。

所述相关的运算是指均匀厚度的内表面假体样板a和外表面内表面样板b相交运算，得到的结果是厚度可能不均匀的一个颅骨修补假体的三维模型。

为了减少颅骨修补假体对人体的刺激，需要对颅骨修补假体的边缘进行光滑处理，具体包括：

E.步骤D设计得到的颅骨修补假体会存在毛刺和弧度大小与原始颅骨存在误差等不完善的问题，需要导入编辑软件（如Freeform、Geomagic Studio、3DMAX等）进行弧度调整和边缘光滑处理。

为了使颅骨修补假体的弧度与原来颅骨的弧度更接近，进一步包括：

F.把图1所示的带有缺损的颅骨三维模型和步骤D或步骤E获得的颅骨修补假体三维模型均导入所述编辑软件中，以头部正中线为基准，对缺损颅骨的骨窗做镜像对称，得到位于缺损另一侧的、大小及位置均与所述骨窗完全对称的缺损颅骨的镜像模型，根据缺损颅骨的镜像模型对获得的颅骨修补假体三维模型进行弧度调整（主要是外表面弧度调整），使得颅骨修补假体的外表面弧度与完好一侧的颅骨外表面弧度相对称，从而使得缺损修补后更美观，也更接近缺损前的原始形貌。

进一步地，为了使弧度调整之后的颅骨修补假体的边缘光滑，以消除调整弧度所带来的影响，还包括：

G.对调整过弧度的修补假体三维模型进行边缘去毛刺、增材、减材等打磨和光滑处理，使其边缘光滑并与原缺损颅骨骨窗完全吻合，得到边缘光滑、厚度及弧度符合要求的颅骨修补假体（如图2所示），称为颅骨修补假体c。

进一步地，为了进一步优化得到的颅骨修补假体c，通过优化软件对颅骨修补假体c进行评估，根据评估结果，决定是否需要进行微调。具体是：

4、把如图2所示的颅骨修补假体c导入优化软件（如Wrap、rigin、matlab等）中进行优化。

进一步的，为了使颅骨修补假体方便固定，方便在颅骨修复术中的使用，还包括：

5、把修补假体c导回设计软件中，设计假体搭片。搭片用于连接修补假体和原缺损颅骨边缘。

在骨窗边缘选择可以安置搭片的若干位置（避开骨质较薄的地方），在平面画一个搭片的二维图，投影到选择好安置搭片位置的表面（如原始颅骨表面），搭片的形状在原始带有缺损的颅骨三维模型和颅骨修补假体三维模型上均显示出来，以此显示为参考面，使用增加厚度操作，得到一定厚度的且与原始颅骨骨窗边缘完全贴合的搭片。此搭片完全贴合与自体颅骨，避免了翘边，不规则凸起影响头皮美观等问题。如图3所示。

6、在颅骨修补假体c上以矩阵形式打孔，用于排除脑脊液。具有孔隙结构的颅骨修补假体，称为颅骨修补假体d。与图3所示搭片组合，得到带有搭片和通孔的颅骨修补假体，称为颅骨修补假体e，如图4所示。

7、把设计好的颅骨修补假体e导入3D打印设备进行打印或者CNC机械加工制作，得到颅骨修补假体的成品。如图5所示。

所述颅骨修补假体的材料为聚芳醚酮类材料，所述聚芳醚酮类材料（PAEK）为聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮、聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)或聚醚醚酮酮(PEEKK)中的任意一种或至少两种的混合物。

在本实施例中，修补假体的材料为聚醚醚酮（PEEK）。具体在使用时，可根据实际情况进行材料选择。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种颅骨缺损修补假体的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取颅骨的CT扫描数据；

2)基于CT扫描数据进行三维重建，获得颅骨三维模型；

3)基于颅骨三维模型勾画缺损颅骨的骨窗，在骨窗边缘选择至少2个位置；

4)在步骤3)所选取的每个位置，在其骨窗边缘的位置，沿颅骨上表面延伸出一条外表面参考弧度，沿颅骨下表面延伸出一条内表面参考弧度，即得到至少2条外表面参考弧度、至少2条内表面参考弧度；

5)由至少2条内参考弧度生成内表面假体样板，由至少2条外参考弧度生成外表面假体样板；

6)由内表面假体样板和外表面假体样板进行相交运算，取二者重合部分作为颅骨修补假体的三维模型；

7)基于步骤6)得到的颅骨修补假体三维模型加工获得颅骨修补假体。

2.根据权利要求1所述的一种颅骨缺损修补假体的制作方法，其特征在于，上述步骤3)中在骨窗边缘选择至少2个位置，其所选取的位置弧度变化程度大于骨窗边缘弧度的平均变化程度。

3.根据权利要求2所述的一种颅骨缺损修补假体的制作方法，其特征在于，所述至少2个位置，位于骨窗的左侧和/或右侧边缘附近，然后在每个位置沿横向延伸出所述一条内参考弧度和一条外参考弧度。

4.根据权利要求3所述的一种颅骨缺损修补假体的制作方法，其特征在于，所述至少2个位置，位置之间的间隔不小于骨窗纵向尺寸的1/6。

5.根据权利要求4所述的一种颅骨缺损修补假体的制作方法，其特征在于，上述步骤5)由参考弧度生成内表面假体样板和外表面假体样板，其过程为：分别设定内表面假体样板和外表面假体样板的厚度，在设定厚度下，由至少2条内参考弧度向外增加所述厚度，生成厚度均匀的内表面假体样板，由至少2条外参考弧度向内增加所述厚度，生成厚度均匀的外表面假体样板；其中内表面假体样板和外表面假体样板的厚度均大于骨窗边缘颅骨的厚度。

6.根据权利要求5所述的一种颅骨缺损修补假体的制作方法，其特征在于，上述步骤6)由内表面假体样板和外表面假体样板进行相交运算，取二者重合部分作为颅骨修补假体三维模型，具体是：以内表面假体样板的下表面作为颅骨修补假体的内表面，以外表面假体样板的上表面作为颅骨修补假体的外表面，取重合部分作为颅骨修补假体三维模型。

7.根据权利要求1所述的一种颅骨缺损修补假体的制作方法，其特征在于，通过步骤6)获得颅骨修补假体三维模型后，还包括对其进行弧度调整和边缘光滑处理。

8.根据权利要求7所述的一种颅骨缺损修补假体的制作方法，其特征在于，还包括以头部正中线为基准，对缺损颅骨的骨窗做镜像对称，得到位于缺损另一侧的、大小及位置均与所述骨窗完全对称的缺损颅骨的镜像模型，根据缺损颅骨的镜像模型对获得的颅骨修补假体三维模型进行弧度调整。

9.根据权利要求8所述的一种颅骨缺损修补假体的制作方法，其特征在于，颅骨修补假体三维模型上设置有用于连接修补假体和原缺损颅骨边缘的搭片；和/或

颅骨修补假体三维模型上开设有用于排除脑脊液的孔隙。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种颅骨缺损修补假体的制作方法，其特征在于，把设计好的颅骨修补假体的三维模型导入3D打印设备进行打印或者CNC机械加工制作，得到颅骨修补假体；所述颅骨修补假体的材料为聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮、聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)或聚醚醚酮酮(PEEKK)中的任意一种或至少两种的混合物。