CN108420530B - 3d打印的个性化髋臼后柱置钉钻模及其制备方法 - Google Patents

Abstract

3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模，包括呈三角形框架结构的本体，本体包括两个主定位脚、一个辅定位脚、一面主支撑墙和两面辅助支撑墙。其制备方法如下：1，获取目标髋骨医学图像数据。2，获得目标髋骨后柱区域的中心点点集。3，确定目标髋骨后柱最大内接圆柱体。4，初选接骨螺钉外径并确定对应的置钉通道中轴线。5，调控接骨螺钉外径解决导向钻模通道与髂骨翼可能发生干涉问题。6，进一步调控接骨螺钉外径以满足置钉钻模设计制造及使用需要。7，建立置钉钻模的三维模型。8，3D打印制备置钉钻模。本发明用于髋臼后柱螺钉内固定术中，可实现个体化髋臼后柱置钉手术的微创化、高效化，置钉准确安全，操作简单稳定，器械成本低廉。

Description

3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模及其制备方法

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模及其制备方法。

背景技术

髋臼骨折内固定术又叫髋臼骨折切开复位内固定术，指征适用髋臼严重骨折患者，通过手术方法对髋臼采取复位及内固定措施。通过髋臼骨折内固定手术，可使髋臼重新获得负重部位的解剖复位和可靠的固定，改善或恢复髋臼的生物功能。目前在髋臼骨折内固定术中，经髋臼前柱或后柱内固定术是最为可靠的固定方式。

在髋臼骨折内固定术中，采用单一的前方入路，对后柱应用顺行拉力螺钉联合前柱应用重建钢板的内固定方式，具有手术创口小、时间短以及并发症风险小等诸多优点。

生物力学实验证明，科学合理地规划髋臼后柱的置钉方向、螺钉直径及置钉深度等置钉参数，是髋臼后柱拉力螺钉联合前柱重建钢板内固定术取得理想临床效果的前提。

一方面，由于髋臼位置深，解剖结构复杂，周围密布网状神经系统、血管系统以及复杂的肌肉组织，后柱螺钉的偏置易导致髋关节、神经及血管等的损伤；另一方面，由于髋臼形态存在较大的个体化差异，目前因髋臼后柱螺钉置入位置不当引起神经损伤、髋关节炎及螺钉松动等并发症的临床报道并不少见。

因此，经后柱置钉成败的关键在于科学合理地规划置钉参数，并使植入的螺钉避免误入髋臼窝或穿破皮质骨。依托相关医疗技术和工程技术，帮助医生完成手术路径规划，实现内植物的精确植入，一直是国内外基础和临床研究十分关注的课题。

目前，髋臼后柱拉力螺钉内固定手术的方法有：解剖标志点法、X射线透视辅助徒手法、CT三维图像导航法、机械瞄准器引导法等。

解剖标志点法进钉点、进钉角度的确定依赖于医生的手感和探针对置钉通道的探摸，对临床经验要求较高，精度难以保证。

X射线透视辅助徒手法透视实时性较差，由于术前获得的导航数据与术中髋臼解剖结构匹配度较低，要真实地反应髋臼周围的组织关系还比较困难，甚至有可能会误导医师，所以难以达到预期的手术治疗效果；且该法操作时间较长，X射线对医护人员和患者的辐射量较大。

CT三维图像导航法近年来在髋臼后柱螺钉内固定中逐渐获得应用，其利用患者实时的髋臼影像信息来指导手术，降低了手术风险，减少了医患双方接触射线的时间，具有较大优势，但导航设备价格昂贵、操作复杂，临床普及仍存在困难。

机械瞄准器引导法采用三维可调的机械式钻模进行定位、瞄准和导航，理论上其导航精度较高、具有一定的机器柔性，能满足个性化置钉的需求，但现行的机械瞄准器主要存在五个方面的问题：

1、为使瞄准器定位准确，须将髋臼及髂骨区域的肌肉等组织全部剥离，以找到定位所需的髂结节标志点、臀后线上的角点、进钉点以及髂骨翼表面的辅助定位点，这样就导致创口大、失血多，增加了手术难度和风险；

2、瞄准器定位顶尖的定位精度保持性较差，由于手术中钻削时的振动易导致瞄准器产生滑移，从而影响瞄准器定位精度，进而影响置钉精度；

3、为规划出后柱置钉通道，需在三维重建模型中拟合出后柱中心线，而由于髋骨解剖学结构的特殊性，前柱在完整髋骨模型中的存在将对后柱中心线的精确生成造成很大的影响；

4、如果仅以后柱中心线的最小二乘直线来确定髋骨的后柱置钉通道方向，则即使采用直径较小的接骨螺钉，瞄准器导向钻模通道也可能与髂骨翼发生干涉现象，造成瞄准器结构尺寸无法设计出来的后果。因此，如何在髋骨后柱的最大内接圆柱体范围内调控设计出置钉参数，避免瞄准器导向钻模通道与髂骨翼发生干涉，且使瞄准器具有良好的结构及结构工艺性，是亟待解决的问题；

5、规划置钉通道时，除了必须掌握医学领域常用的医学影像软件、逆向工程造型软件之外，还需熟练使用科学计算软件，因此该法对规划者要求高，且操作步骤繁冗、规划周期较长。

因此，亟需设计制备出一套定位稳定可靠、手术创口小、能充分保证后柱置钉的准确性与安全性、设计制造及使用具有可行性、置钉通道的规划质量和效率具有明显优势的髋臼后柱置钉钻模，以达成以微创手段完成安全准确置入髋臼后柱螺钉的目的，从而实现髋臼生物力学特性的再复制，提高患者生活质量。

发明内容

本发明的目的是克服现有方法和技术的不足，而提供一种3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模及其制备方法。其借助于医学影像技术和工程技术，调控设计出准确性与安全性满足需求的置钉参数；借助于3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模，在髋臼后柱螺钉内固定术中，可实现个体化髋臼后柱置钉手术的微创化、高效化，置钉准确安全，操作简单稳定，器械成本低廉。

本发明的技术方案是：3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模，包括呈三角形框架结构的本体，本体包括两个主定位脚、一个辅定位脚、一面主支撑墙和两面辅助支撑墙；两个主定位脚平行且竖直布置并通过主支撑墙连接为一体，辅定位脚与主定位脚平行且竖直布置并与两个主定位脚之间各通过一面辅助支撑墙连接为一体；两个主定位脚下端均设有用于定位的骨贴合面；辅定位脚下端设有用于定位的骨贴合面；主支撑墙呈不规则多边形结构，其上设有贯穿其内外两个表面的导向钻模通道,其与两个主定位脚的连接处的下端分别设有髂骨翼避空倒角。

本发明进一步的技术方案是：主支撑墙与两个主定位脚的连接处的上端分别设有减重倒角；辅助支撑墙呈拱形墙，其下端设有弧形缺口。

本发明再进一步的技术方案是：主支撑墙的内外两个表面上分别设有前凸台和后凸台，导向钻模通道的两端开口分别贯穿前凸台和后凸台。

本发明更进一步的技术方案是：辅定位脚下端呈从上至下直径渐缩的锥台形，其下端径向截面直径为4～6mm；主定位脚下端呈圆柱形，其下端径向截面直径为11～13mm。

本发明更进一步的技术方案是：两个主定位脚下端的骨贴合面分别与目标髋骨髂结节标志点部位的表面轮廓、臀后线角点部位的表面轮廓贴附吻合，辅定位脚下端的骨贴合面与目标髋骨进钉点附近部位的表面轮廓贴附吻合；当两个主定位脚下端的骨贴合面与目标髋骨贴附吻合时，导向钻模通道的延伸通道穿透目标髋骨的区域被目标髋骨后柱区域最大内接圆柱体所包容。

本发明的技术方案是：所述的3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模，其制备方法如下：

S01，获取目标髋骨医学图像数据：调取患者诊断前的螺旋CT检查数据，选择手术区域目标髋骨的数据，保存为DICOM文件格式；

S02，获得目标髋骨后柱区域的中心点点集：将目标髋骨的医学图像数据导入医学影像软件Mimics，依次使用区域增长、分割、复位功能，重建出独立完整的髋骨3D模型；再使用蒙板编辑功能，沿与髂耻线平行的方向并通过髋臼窝中心，去除髋骨3D模型的前柱，得到只含后柱区域的髋骨3D模型，将其保存为STL文件格式；最后使用拟合中心线功能，自动拟合出只含后柱区域的髋骨3D模型的中心点点集，该中心点点集由一系列间距为a的离散点组成，将该点集保存为IGS文件格式；

本步骤中，a的取值区间为0.01mm～0.1mm；

S03，确定目标髋骨后柱最大内接圆柱体：

a、将只含后柱区域的髋骨3D模型及其中心点点集数据文件导入逆向工程软件Imageware中，根据置钉需要截取出目标髋骨后柱区域的中心点点集；

b、再应用直线拟合功能，创建出后柱中心点点集的最小二乘直线，该最小二乘直线方向即为目标髋骨后柱最大内接圆柱体的轴线方向；

c、过髋臼窝中心点作垂直于最小二乘直线方向的正截面；以该正截面为中间平面，沿最小二乘直线方向，在后柱区域全长范围，向该正截面的两端各作出n个等距的平行平面；

d、提取这2n+1个正截面的外轮廓线，将其沿最小二乘直线方向在最靠近坐骨的最外侧正截面上进行投影，这些投影叠加后其内部会形成一个封闭区间；

e、作出该封闭区域的最大内接圆，该最大内接圆的直径即为目标髋骨后柱最大内接圆柱体的直径；

本步骤中，n≥5；

S04，初选接骨螺钉外径并确定对应的置钉通道中轴线：

a、以x+y为偏距值向内作出所述最大内接圆柱体的同轴圆柱体，以同轴圆柱体的包容区域作为置钉通道的安全调控范围；找出最大内接圆柱体的中轴线与目标髋骨后柱表面轮廓的2个交点A1、A2，找出最大内接圆柱体上距髂骨翼最远的母线与目标髋骨表面轮廓在入口处的交点B；

b、以A1、A2、B确定出一个平面，并以该平面截出同轴圆柱体的轮廓点云，依据轮廓点云在该平面上绘出同轴圆柱体的两条母线L1和L2，再分别过A1、A2作垂直于L1、L2的直线，由此形成一个矩形，作出该矩形的最小外接圆；

c、在医药行业标准YY0018-2002中按从大到小的顺序初选出尺寸较大但小于同轴圆柱体直径的接骨螺钉外径d1，以矩形近B点侧的上角点为圆心、以d1为半径作弧，弧线与矩形外接圆相交于C点；连接矩形远B点侧的下角点与C点，形成直线L3，直线L3为外径d1接骨螺钉对应的置钉通道的母线，并据置钉通道的母线确定其中轴线；

本步骤中，所述入口处为最大内接圆柱体沿进钉方向与目标髋骨外轮廓的交汇处；

本步骤中，x为髋臼后柱区域皮质骨厚度的统计值；y为3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模的钻孔偏距，y的取值区间为0.3～0.5mm；

S05，通过向下递减的方式调控接骨螺钉外径解决钻模的导向钻模通道与髂骨翼可能发生干涉的问题：根据初选的接骨螺钉外径d1，计算接骨螺钉螺纹底孔直径d2；沿置钉通道中轴线方向建立目标髋骨后柱底孔钻削通道，将底孔钻削通道延伸，分析其作为钻模的导向钻模通道是否与髂骨翼发生干涉；

如不发生干涉，则进入S06步骤；

如发生干涉，则依次按照以下分步骤进行处理：

a，在医药行业标准YY0018-2002中选择相对于初选的接骨螺钉外径d1小一号的接骨螺钉；

b，重复S04步骤，以重新确定置钉通道中轴线，使得置钉通道中轴线与髂骨翼表面的夹角增加；

c，再沿重新确定的置钉通道中轴线方向建立目标髋骨后柱底孔钻削通道；将底孔钻削通道延伸，分析其作为钻模的导向钻模通道是否与髂骨翼发生干涉；

d、如不发生干涉，则进入S06步骤，如仍发生干涉，则选择相对于a分步骤中更小一号的接骨螺钉，再重复b、c分步骤，如此不断调控，直至不发生干涉，则进入S06步骤；

本步骤完成时，调控选取的接骨螺钉外径为d3；

S06，通过向下递减的方式进一步调控接骨螺钉外径以满足置钉钻模设计制造及使用需要：依据S05步骤最终调控选取的接骨螺钉所对应的置钉通道的延伸通道与髂骨翼表面的间隙大小，进一步分析钻模设计制造及使用的可行性；

若所述间隙大小能保证导向钻模通道的各处壁厚均≥3mm，则以S05步骤调控选取的接骨螺钉外径d3作为最终选定的接骨螺钉外径，并进入S07步骤；

若所述间隙大小不能保证导向钻模通道的各处壁厚均≥3mm，则依次按照以下分步骤进行处理：

a、在医药行业标准YY0018-2002中选择相对于S05步骤调控选取的接骨螺钉外径d3至少小一号的接骨螺钉；

b、重复S04步骤，以重新确定置钉通道中轴线，使得置钉通道中轴线与髂骨翼表面的夹角增加，置钉通道的延伸通道与髂骨翼表面的间隙增大；

c、分析重新确定的置钉通道的延伸通道与髂骨翼表面的间隙大小是否能保证导向钻模通道的各处壁厚均≥3mm；

d、若间隙大小满足上述条件，则进入S07步骤，若间隙大小仍不能满足上述条件，则选择相对于a分步骤中更小一号的接骨螺钉，再重复b、c分步骤，如此不断调控，直至满足上述条件，则进入S07步骤；

本步骤完成时，调控选取的接骨螺钉外径为d4；

S07，建立个性化髋臼后柱置钉钻模的三维模型：

a、依据S06步骤调控选取的接骨螺钉外径d4及其置钉通道中轴线,建立目标髋骨的后柱底孔钻削通道，将其保存为STL文件格式；

b、将完整的目标髋骨3D模型及后柱底孔钻削通道文件导入PRO/E或Solidworks中；根据目标髋骨的具体形态、目标髋骨的尺寸及目标髋骨与后柱底孔钻削通道的位置关系，建立个性化髋臼后柱置钉钻模的结构模型，将其保存为STL文件格式，为保证导向钻模通道建立的精度与效率，该结构模型中暂不包含导向钻模通道；

c、再将该结构模型、完整的髋骨3D模型及后柱底孔钻削通道文件导入至Mimics中，将三者进行空间位置匹配后，利用布尔运算在两个主定位脚及一个辅定位脚的下端生成目标髋骨定位面的反向骨贴合面，在主支撑墙上生成导向钻模通道，即完成个性化髋臼后柱置钉钻模三维模型的建立；

S08，3D打印制备个性化髋臼后柱置钉钻模：将在Mimics中生成的STL格式的个性化髋臼后柱置钉钻模三维模型文件导入至3D打印切层软件中，3D打印制备出个性化髋臼后柱置钉钻模；同时打印出目标髋骨的3D模型，便于医生术前试验与评估。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、应用本发明的方法，可设计制造出与目标髋骨定位曲面贴附吻合良好及具有高精度导向钻模通道的3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模。术者借助本钻模可准确、快速地施行髋臼后柱拉力螺钉内固定术，既提升了手术效率，又保障了手术的精确性和安全性。

2、3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模以髂结节标志点部位表面轮廓、臀后线角点部位表面轮廓、进钉点附近的表面轮廓一次成功定位。

而使用现行机械瞄准器时，须开出大刀口，将髋臼及髂骨区域的肌肉等组织全部剥离，以暴露出进钉点进行第一次定位，同时暴露出辅助定位点以进行第二次定位，大刀口必然给患者带来二次伤害。

3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模的辅定位脚位于进钉点附近部位，其锥台底端径向截面直径仅为4～6mm，只需在该部位开出小刀口并配合使用扩钳即可进行定位，这无疑既简化了定位过程，又满足了微创手术的需求。

3、3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模采用了曲面定位方式，使得定位不但精确，且定位精度保持性好，即使受到钻削振动钻模定位脚也难以产生滑移，这有效地保障了置钉精度。

4、本发明的制备方法中，首先确定了目标髋骨后柱最大内接圆柱体，再调控规划出后柱置钉通道。规划原则是在保证置钉不破壁(不破壁是指置钉后，在通道的整个长度范围内，螺钉不穿透皮质骨而暴露出来)的前提下，既要穿透更多的骨量，又要通道的横切面圆直径尽可能大。本发明的制备方法基于去除了前柱的3D髋骨模型上获取中心点点集，并通过截取、拟合直线的手段创建出后柱中心点点集的最小二乘直线，进而确定出后柱最大内接圆柱体及其同轴圆柱体，最后在置钉通道的安全调控范围规划出置钉参数，整个规划过程排除了前柱在完整髋骨模型中影响后柱置钉通道规划的不利因素。排除了前柱而获得的后柱置钉通道与未排除前柱而获得的后柱置钉通道相比较，具有更多的骨穿透量(即通道长度更长)，在实际手术过程中，可使植入的螺钉具有更长的螺纹长度，进而获得更好的内固定效果。

所述不利因素的阐述：大量虚拟实验证明，由于髋骨解剖学结构的特殊性，前柱在完整髋骨模型中的存在会严重影响后柱中心线的精确生成，特别是在靠近髋臼顶部的区段会产生明显的偏移，这对确定后柱置钉的通道方向是非常不利的。

5、采用本发明的置钉通道规划方法中的直线拟合功能及截面构建功能，能在髋骨模型的后柱区域全长范围快速创建出后柱中心点点集的最小二乘直线，能得到由更多更致密的正截面外轮廓线投影所形成的封闭区域，以便对后柱最大内接圆柱体的直径进行全局优化。

6、本发明是在髋骨后柱置钉通道的安全范围内调控设计出置钉参数，既避免了钻模导向钻模通道与髂骨翼发生干涉，又使钻模具有良好的结构及结构工艺性；既保证了置钉参数与钻模设计参数的平衡与完善，又保证了髋骨后柱置钉的准确性与安全性。

7、规划者只需掌握医学领域常用的医学影像软件及逆向工程造型软件即可完成上述工作，而无需花费较长时间使用科学计算软件进行繁冗的编程计算。本发明提高了置钉通道的规划质量和自动化程度，既简化了操作、降低了难度、节省了时间，更减少了对规划者的技能要求，便于普及推广。

以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的左视图；

图4为本发明的立体结构图；

图5为本发明的使用状态示意图；

图6为目标髋骨曲面定位区域与进钉点的位置关系示意图；

图7为只含后柱区域的髋骨3D模型的中心点点集生成状态图；

图8为目标髋骨后柱区域中心点点集的最小二乘直线生成状态图；

图9为垂直于最小二乘直线方向的2n+1个正截面外轮廓线生成状态图；

图10为目标髋骨后柱区域最大内接圆柱体的生成状态图；

图11为A1、A2、B三点位置示意图；

图12为按初选接骨螺钉外径确定对应置钉通道轴线的示意图；

图13为不同接骨螺钉外径及其对应的置钉通道轴线的示意图；

图14为调控接骨螺钉外径前后置钉通道状态对比示意图；

图例说明：主定位脚1；辅定位脚2；主支撑墙3；导向钻模通道31；髂骨翼避空倒角32；减重倒角33；前凸台34；后凸台35；辅助支撑墙4；弧形缺口41；目标髋骨5；髂结节标志点51；臀后线角点52；进钉点53；最小二乘直线54；正截面55；最大内接圆柱体56；同轴圆柱体57；调控前置钉通道的中轴线58；调控后置钉通道的中轴线59。

具体实施方式

实施例1：

如图1-5所示，3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模，包括呈三角形框架结构的本体，本体包括两个主定位脚1、一个辅定位脚2、一面主支撑墙3和两面辅助支撑墙4。

两个主定位脚1平行且竖直布置并通过主支撑墙3连接为一体，辅定位脚2与主定位脚1平行且竖直布置并与两个主定位脚1之间各通过一面辅助支撑墙4连接为一体。

主支撑墙3呈不规则多边形结构，其上设有贯穿其内外两个表面的导向钻模通道31,其与两个主定位脚1的连接处的下端分别设有髂骨翼避空倒角32。两个主定位脚1下端均设有用于定位的骨贴合面，两个主定位脚1下端的骨贴合面分别与目标髋骨5髂结节标志点51部位的表面轮廓、臀后线角点52部位的表面轮廓贴附吻合(参看图5、6)。辅定位脚2下端设有用于定位的骨贴合面，辅定位脚2下端的骨贴合面与目标髋骨5进钉点53附近部位的表面轮廓贴附吻合(参看图5、6)。当两个主定位脚1下端的骨贴合面与目标髋骨5贴附吻合时，导向钻模通道31的延伸通道穿透目标髋骨5的区域被目标髋骨5后柱区域最大内接圆柱体所包容。

辅定位脚2的骨贴合面与与主定位脚1的骨贴合面共同发挥定位作用，使本体在目标髋骨5上获得更牢靠的定位效果。

优选，主支撑墙3与两个主定位脚1的连接处的上端分别设有减重倒角33，可减轻整个置钉钻模的重量，降低3D打印成本。

优选，辅助支撑墙4呈拱形墙，其下端设有弧形缺口41，即起到了手术时增大可操作空间的作用，又起到了增强整个置钉钻模的结构强度的作用，还可避免使用时与臀部肌肉发生过多的干涉。

优选，主支撑墙3的内外两个表面上分别设有前凸台34和后凸台35，导向钻模通道32的两端开口分别贯穿前凸台34和后凸台35，前、后凸台的设置延长了导向钻模通道31的深度，进而保证了其导向的准确性。

优选，辅定位脚2下端呈从上至下直径渐缩的锥台形，其下端径向截面直径为4～6mm；主定位脚1下端呈圆柱形，其下端径向截面直径为11～13mm，该尺寸既能保证刚度要求，又能满足微创手术需要。

制备上述的3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模的方法，包括如下步骤：

S01，获取目标髋骨医学图像数据：调取患者诊断前的螺旋CT检查数据，选择手术区域目标髋骨的数据，保存为DICOM文件格式。

S02，获得目标髋骨后柱区域的中心点点集：将目标髋骨的医学图像数据导入医学影像软件Mimics，依次使用区域增长、分割、复位功能，重建出独立完整的髋骨3D模型；再使用蒙板编辑功能，沿与髂耻线平行的方向并通过髋臼窝中心，去除髋骨3D模型的前柱，得到只含后柱区域的髋骨3D模型，将其保存为STL文件格式；最后使用拟合中心线功能，自动拟合出只含后柱区域的髋骨3D模型的中心点点集(参看图7)，该中心点点集由一系列间距为a的离散点组成，将该点集保存为IGS文件格式。

本步骤中，a的取值区间为0.01mm～0.1mm。

S03，确定目标髋骨后柱最大内接圆柱体：

a、将只含后柱区域的髋骨3D模型及其中心点点集数据文件导入逆向工程软件Imageware中，根据置钉需要截取出目标髋骨后柱区域的中心点点集；

b、再应用直线拟合功能，创建出后柱中心点点集的最小二乘直线54(参看图8)，该最小二乘直线54方向即为目标髋骨后柱最大内接圆柱体的轴线方向。

c、过髋臼窝中心点作垂直于最小二乘直线54方向的正截面55；以该正截面55为中间平面，沿最小二乘直线方向，在后柱区域全长范围，向该正截面55的两端各作出n个等距的平行平面(参看图9)。

d、提取这2n+1个正截面的外轮廓线，将其沿最小二乘直线方向在最靠近坐骨的最外侧正截面上进行投影，这些投影叠加后其内部会形成一个封闭区间。

e、作出该封闭区域的最大内接圆，该最大内接圆的直径即为目标髋骨后柱最大内接圆柱体56的直径(参看图10)。

本步骤中，n≥5。

S04，初选接骨螺钉外径并确定对应的置钉通道中轴线：

a、以x+y为偏距值向内作出所述最大内接圆柱体56的同轴圆柱体57(参看图10)，以同轴圆柱体57的包容区域作为置钉通道的安全调控范围；找出最大内接圆柱体56的中轴线与目标髋骨5后柱表面轮廓的2个交点A1、A2，找出最大内接圆柱体56上距髂骨翼最远的母线与目标髋骨表面轮廓在入口处的交点B(参看图11)。

b、以A1、A2、B确定出一个平面，并以该平面截出同轴圆柱体57的轮廓点云，依据轮廓点云在该平面上绘出同轴圆柱体57的两条母线L1和L2，再分别过A1、A2作垂直于L1、L2的直线，由此形成一个矩形，作出该矩形的最小外接圆(参看图12)。

c、在医药行业标准YY0018-2002中按从大到小的顺序初选出尺寸较大但小于同轴圆柱体57直径的接骨螺钉外径d1，以矩形近B点侧的上角点为圆心、以d1为半径作弧，弧线与矩形的最小外接圆相交于C点；连接矩形远B点侧的下角点与C点，形成直线L3，直线L3为外径d1接骨螺钉对应的置钉通道的母线，并据置钉通道的母线确定其中轴线(参看图12)。

本步骤中，所述入口处为最大内接圆柱体沿进钉方向与目标髋骨外轮廓的交汇处。

本步骤中，x为髋臼后柱区域皮质骨厚度的统计值；y为3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模的钻孔偏距，y的取值区间为0.3～0.5mm。

S05，通过向下递减的方式调控接骨螺钉外径解决钻模的导向钻模通道与髂骨翼可能发生干涉的问题：根据初选的接骨螺钉外径d1，计算接骨螺钉螺纹底孔直径d2；沿置钉通道中轴线方向建立目标髋骨后柱底孔钻削通道，将底孔钻削通道延伸，分析其作为钻模的导向钻模通道是否与髂骨翼发生干涉。

如不发生干涉，则进入S06步骤。

如发生干涉，则依次按照以下分步骤进行处理：

a，在医药行业标准YY0018-2002中选择相对于初选的接骨螺钉外径d1小一号的接骨螺钉。

b，重复S04步骤，以重新确定置钉通道中轴线，使得置钉通道中轴线与髂骨翼表面的夹角增加。

c，再沿重新确定的置钉通道中轴线方向建立目标髋骨后柱底孔钻削通道；将底孔钻削通道延伸，分析其作为钻模的导向钻模通道是否与髂骨翼发生干涉。

d、如不发生干涉，则进入S06步骤，如仍发生干涉，则选择相对于a分步骤中更小一号的接骨螺钉，再重复b、c分步骤，如此不断调控，直至不发生干涉(参看图13)，则进入S06步骤。

本步骤完成时，调控选取的接骨螺钉外径为d3。

S06，通过向下递减的方式进一步调控接骨螺钉外径以满足置钉钻模设计制造及使用需要：依据S05步骤最终调控选取的接骨螺钉所对应的置钉通道的延伸通道与髂骨翼表面的间隙大小，进一步分析钻模设计制造及使用的可行性。

若所述间隙大小能保证导向钻模通道的各处壁厚均≥3mm(至少3mm的壁厚既保证了个性化髋臼后柱置钉钻模的导向钻模通道的结构强度，又保证了术者的操作空间)，则以S05步骤调控选取的接骨螺钉外径d3作为最终选定的接骨螺钉外径，并进入S07步骤。

若所述间隙大小不能保证导向钻模通道的各处壁厚均≥3mm，则依次按照以下分步骤进行处理：

a、在医药行业标准YY0018-2002中选择相对于S05步骤调控选取的接骨螺钉外径d3至少小一号的接骨螺钉。

b、重复S04步骤，以重新确定置钉通道中轴线，使得置钉通道中轴线与髂骨翼表面的夹角增加，置钉通道的延伸通道与髂骨翼表面的间隙增大。

c、分析重新确定的置钉通道的延伸通道与髂骨翼表面的间隙大小是否能保证导向钻模通道的各处壁厚均≥3mm。

d、若间隙大小满足上述条件，则进入S07步骤，若间隙大小仍不能满足上述条件，则选择相对于a分步骤中更小一号的接骨螺钉，再重复b、c分步骤，如此不断调控，直至满足上述条件，则进入S07步骤。

本步骤完成时，调控选取的接骨螺钉外径为d4。

S07，建立个性化髋臼后柱置钉钻模的三维模型：

a、依据S06步骤调控选取的接骨螺钉外径d4及其置钉通道中轴线,建立目标髋骨的后柱底孔钻削通道，将其保存为STL文件格式。

b、将完整的目标髋骨3D模型及后柱底孔钻削通道文件导入PRO/E或Solidworks中；根据目标髋骨的具体形态、目标髋骨的尺寸及目标髋骨与后柱底孔钻削通道的位置关系，建立个性化髋臼后柱置钉钻模的结构模型，将其保存为STL文件格式，为保证导向钻模通道建立的精度与效率，该结构模型中暂不包含导向钻模通道。

c、再将该结构模型、完整的髋骨3D模型及后柱底孔钻削通道文件导入至Mimics中，将三者进行空间位置匹配后，利用布尔运算在两个主定位脚及一个辅定位脚的下端生成目标髋骨定位面的反向骨贴合面，在主支撑墙上生成导向钻模通道，即完成个性化髋臼后柱置钉钻模三维模型的建立。

S08，3D打印制备个性化髋臼后柱置钉钻模：将在Mimics中生成的STL格式的个性化髋臼后柱置钉钻模三维模型文件导入至3D打印切层软件中，3D打印制备出个性化髋臼后柱置钉钻模；同时打印出目标髋骨的3D模型，便于医生术前试验与评估。

Claims (2)

1.3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模，其特征是：包括呈三角形框架结构的本体，本体包括两个主定位脚(1)、一个辅定位脚(2)、一面主支撑墙(3)和两面辅助支撑墙(4)；两个主定位脚(1)平行且竖直布置并通过主支撑墙(3)连接为一体，辅定位脚(2)与主定位脚(1)平行且竖直布置并与两个主定位脚(1)之间各通过一面辅助支撑墙(4)连接为一体；两个主定位脚(1)下端均设有用于定位的骨贴合面；辅定位脚(2)下端设有用于定位的骨贴合面；主支撑墙(3)呈不规则多边形结构，其上设有贯穿其内外两个表面的导向钻模通道(31),其与两个主定位脚(1)的连接处的下端分别设有髂骨翼避空倒角(32)；

主支撑墙(3)与两个主定位脚(1)的连接处的上端分别设有减重倒角(33)；辅助支撑墙(4)呈拱形墙，其下端设有弧形缺口(41)；

主支撑墙(3)的内外两个表面上分别设有前凸台(34)和后凸台(35)，导向钻模通道(32)的两端开口分别贯穿前凸台(34)和后凸台(35)；

辅定位脚(2)下端呈从上至下直径渐缩的锥台形，其下端径向截面直径为4～6mm；主定位脚(1)下端呈圆柱形，其下端径向截面直径为11～13mm；

两个主定位脚(1)下端的骨贴合面分别与目标髋骨(5)髂结节标志点(51)部位的表面轮廓、臀后线角点(52)部位的表面轮廓贴附吻合；当两个主定位脚(1)下端的骨贴合面与目标髋骨(5)贴附吻合时，导向钻模通道(31)的延伸通道穿透目标髋骨(5)的区域被目标髋骨(5)后柱区域最大内接圆柱体所包容。

2.一种制备如权利要求1所述的3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模的方法，其特征是，包括如下步骤：

S01，获取目标髋骨医学图像数据：调取患者诊断前的螺旋CT检查数据，选择手术区域目标髋骨的数据，保存为DICOM文件格式；

S02，获得目标髋骨后柱区域的中心点点集：将目标髋骨的医学图像数据导入医学影像软件Mimics，依次使用区域增长、分割、复位功能，重建出独立完整的髋骨3D模型；再使用蒙板编辑功能，沿与髂耻线平行的方向并通过髋臼窝中心，去除髋骨3D模型的前柱，得到只含后柱区域的髋骨3D模型，将其保存为STL文件格式；最后使用拟合中心线功能，自动拟合出只含后柱区域的髋骨3D模型的中心点点集，该中心点点集由一系列间距为a的离散点组成，将该点集保存为IGS文件格式；

本步骤中，a的取值区间为0.01mm～0.1mm；

S03，确定目标髋骨后柱最大内接圆柱体：

a、将只含后柱区域的髋骨3D模型及其中心点点集数据文件导入逆向工程软件Imageware中，根据置钉需要截取出目标髋骨后柱区域的中心点点集；

b、再应用直线拟合功能，创建出后柱中心点点集的最小二乘直线，该最小二乘直线方向即为目标髋骨后柱最大内接圆柱体的轴线方向；

c、过髋臼窝中心点作垂直于最小二乘直线方向的正截面；以该正截面为中间平面，沿最小二乘直线方向，在后柱区域全长范围，向该正截面的两端各作出n个等距的平行平面；

d、提取这2n+1个正截面的外轮廓线，将其沿最小二乘直线方向在最靠近坐骨的最外侧正截面上进行投影，这些投影叠加后其内部会形成一个封闭区间；

e、作出该封闭区域的最大内接圆，该最大内接圆的直径即为目标髋骨后柱最大内接圆柱体的直径；

本步骤中，n≥5；

S04，初选接骨螺钉外径并确定对应的置钉通道中轴线：

a、以x+y为偏距值向内作出所述最大内接圆柱体的同轴圆柱体，以同轴圆柱体的包容区域作为置钉通道的安全调控范围；找出最大内接圆柱体的中轴线与目标髋骨后柱表面轮廓的2个交点A1、A2，找出最大内接圆柱体上距髂骨翼最远的母线与目标髋骨表面轮廓在入口处的交点B；

b、以A1、A2、B确定出一个平面，并以该平面截出同轴圆柱体的轮廓点云，依据轮廓点云在该平面上绘出同轴圆柱体的两条母线L1和L2，再分别过A1、A2作垂直于L1、L2的直线，由此形成一个矩形，作出该矩形的最小外接圆；

c、在医药行业标准YY0018-2002中按从大到小的顺序初选出尺寸较大但小于同轴圆柱体直径的接骨螺钉外径d1，以矩形近B点侧的上角点为圆心、以d1为半径作弧，弧线与矩形的最小外接圆相交于C点；连接矩形远B点侧的下角点与C点，形成直线L3，直线L3为外径d1接骨螺钉对应的置钉通道的母线，并据置钉通道的母线确定其中轴线；

本步骤中，所述入口处为最大内接圆柱体沿进钉方向与目标髋骨外轮廓的交汇处；

本步骤中，x为髋臼后柱区域皮质骨厚度的统计值；y为3D打印的个性化髋臼后柱置钉钻模的钻孔偏距，y的取值区间为0.3～0.5mm；

S05，通过向下递减的方式调控接骨螺钉外径解决钻模的导向钻模通道与髂骨翼可能发生干涉的问题：根据初选的接骨螺钉外径d1，计算接骨螺钉螺纹底孔直径d2；沿置钉通道中轴线方向建立目标髋骨后柱底孔钻削通道，将底孔钻削通道延伸，分析其作为钻模的导向钻模通道是否与髂骨翼发生干涉；

如不发生干涉，则进入S06步骤；

如发生干涉，则依次按照以下分步骤进行处理：

a，在医药行业标准YY0018-2002中选择相对于初选的接骨螺钉外径d1小一号的接骨螺钉；

b，重复S04步骤，以重新确定置钉通道中轴线，使得置钉通道中轴线与髂骨翼表面的夹角增加；

c，再沿重新确定的置钉通道中轴线方向建立目标髋骨后柱底孔钻削通道；将底孔钻削通道延伸，分析其作为钻模的导向钻模通道是否与髂骨翼发生干涉；

d、如不发生干涉，则进入S06步骤，如仍发生干涉，则选择相对于a分步骤中更小一号的接骨螺钉，再重复b、c分步骤，如此不断调控，直至不发生干涉，则进入S06步骤；

本步骤完成时，调控选取的接骨螺钉外径为d3；

S06，通过向下递减的方式进一步调控接骨螺钉外径以满足置钉钻模设计制造及使用需要：依据S05步骤最终调控选取的接骨螺钉所对应的置钉通道的延伸通道与髂骨翼表面的间隙大小，进一步分析钻模设计制造及使用的可行性；

若所述间隙大小能保证导向钻模通道的各处壁厚均≥3mm，则以S05步骤调控选取的接骨螺钉外径d3作为最终选定的接骨螺钉外径，并进入S07步骤；

若所述间隙大小不能保证导向钻模通道的各处壁厚均≥3mm，则依次按照以下分步骤进行处理：

a、在医药行业标准YY0018-2002中选择相对于S05步骤调控选取的接骨螺钉外径d3至少小一号的接骨螺钉；

b、重复S04步骤，以重新确定置钉通道中轴线，使得置钉通道中轴线与髂骨翼表面的夹角增加，置钉通道的延伸通道与髂骨翼表面的间隙增大；

c、分析重新确定的置钉通道的延伸通道与髂骨翼表面的间隙大小是否能保证导向钻模通道的各处壁厚均≥3mm；

d、若间隙大小满足上述条件，则进入S07步骤，若间隙大小仍不能满足上述条件，则选择相对于a分步骤中更小一号的接骨螺钉，再重复b、c分步骤，如此不断调控，直至满足上述条件，则进入S07步骤；

本步骤完成时，调控选取的接骨螺钉外径为d4；

S07，建立个性化髋臼后柱置钉钻模的三维模型：

a、依据S06步骤调控选取的接骨螺钉外径d4及其置钉通道中轴线,建立目标髋骨的后柱底孔钻削通道，将其保存为STL文件格式；

b、将完整的目标髋骨3D模型及后柱底孔钻削通道文件导入PRO/E或Solidworks中；根据目标髋骨的具体形态、目标髋骨的尺寸及目标髋骨与后柱底孔钻削通道的位置关系，建立个性化髋臼后柱置钉钻模的结构模型，将其保存为STL文件格式，为保证导向钻模通道建立的精度与效率，该结构模型中暂不包含导向钻模通道；

c、再将该结构模型、完整的髋骨3D模型及后柱底孔钻削通道文件导入至Mimics中，将三者进行空间位置匹配后，利用布尔运算在两个主定位脚及一个辅定位脚的下端生成目标髋骨定位面的反向骨贴合面，在主支撑墙上生成导向钻模通道，即完成个性化髋臼后柱置钉钻模三维模型的建立；

S08，3D打印制备个性化髋臼后柱置钉钻模：将在Mimics中生成的STL格式的个性化髋臼后柱置钉钻模三维模型文件导入至3D打印切层软件中，3D打印制备出个性化髋臼后柱置钉钻模；同时打印出目标髋骨的3D模型，便于医生术前试验与评估。