CN108523999A - 颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3d打印模板的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，该方法由可替换组件设计和模板基板设计两部分组成，其中可替换组件又具体包括定位组件、钻套组件和穿刺组件。本发明以病人脑部肿瘤的位置、形态及其与周围组织的关系为依据，基于软件工具生成三维数据模型，可直接用于执行3D打印。打印所得的产品构型能够精准反应病灶区域的真实空间构型，可完全还原临床医生的设计意图，保证穿刺手术的安全性和治疗效果，工作效率大幅度提升，成本显著降低，操作简单，维护方便。同时，由于该方法能适应各种病例的具体情况，因而满足了病人个体化、精准化医疗的需求。
Description
技术领域
本发明涉及临床医学技术领域，同时涉及医疗器械和3D打印技术，具体涉及颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法。
背景技术
穿刺手术是临床上用于肿瘤活检和进一步治疗的必要技术手段，用于为肿瘤的病理诊断提供依据。颅脑肿瘤又称颅内肿瘤，是指发生于颅腔内的神经系统肿瘤，包括起源于神经上皮、外周神经、脑膜和生殖细胞的肿瘤，淋巴和造血组织肿瘤，蝶鞍区的颅咽管瘤与颗粒细胞瘤，以及转移性肿瘤。随着检查手段及方法的不断提高，使诊断的正确率逐渐提高，但仍有很大一部分肿瘤不具备典型的影像学特点，诊断困难。正确的诊断需要临床、影像及病理三结合。其中，病理诊断对治疗方案的选择起着关键作用，穿刺活检是获取病理诊断的主要途径，也为下一步对颅脑肿瘤进行放射性粒子植入术或消融术等手术提供手术通道。不同于其他肿瘤，由于颅脑结构更加复杂且普遍涉及钻孔操作，因此对颅脑手术的难度更大。
手术模板是辅助医生执行手术的重要工具，尤其是异型或个性化的模板，可极大提高医生进行复杂手术的成功率。比如，医生在进行颅脑手术时，首先需要对肿瘤靶区进行定位，在此基础上选择安全合理的颅骨钻孔点，同时设计穿刺路径。这往往需要依靠医生的经验完成。如果能事先生成与手术位置实际结构相一致的3D模型，则有助于医生保证手术精度，降低错误风险。
现有技术中颅脑肿瘤的定位、钻孔、穿刺手术完全由医生人工处理：首先根据病人颅脑肿瘤在影像数据上的位置，由医生在病人颅骨表面勾勒出病灶区域，然后医生使用骨钻打孔，最后医生结合病人影像数据进行人工穿刺，整个过程全人工操作。这样的主要问题是手术风险较高，手术时间长，病人痛苦大，每个环节人工操作存在较大误差，从而影响手术效果，极有可能引发医疗事故。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，以解决现有技术中此类手术主要由医生凭经验操作，因而存在准确度低、治疗效果差、误差大、时间长，病人痛苦大等技术问题。
本发明要解决的另一技术问题是常规的3D打印模板设计方法，难以准确还原颅脑病灶位置的复杂结构。
为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，包括以下步骤：
1)设计定位组件：在定位组件设计软件上，通过两点定位法，确定颅骨钻孔点到脑肿瘤靶区的路径，该路径避开脑组织功能区、血管、神经组织；设计直径为3～10mm，高15mm，壁厚0.5～1mm的中空圆柱体，内填充鱼肝油；
2)设计钻套组件：在钻套组件设计软件上，按照步骤1)所述路径及其尺寸确定用于骨钻的T形钻套，所述T形钻套的壁厚为2～3mm，所述T形钻套的内径比所述骨钻的钻头直径大0.2mm，所述T形钻套为钛合金材质，所述T形钻套表面附着有金刚石DLC涂层；其中所述DLC涂层用以增强钻套表面强度和光洁度，降低摩擦系数，使颅骨钻孔过程安全高效；
3)设计穿刺组件：在穿刺设计软件上勾画出靶区，通过两点定位法确定靶区内主穿刺路径的穿刺方向、穿刺深度、穿刺分布和穿刺数量；在每个穿刺点周围添加辅助穿刺路径，所述辅助穿刺路径与所述主穿刺路径平行，二者深度不相同；在靶区外围3～5mm范围内添加备用穿刺区域，所述备用穿刺区域上的穿刺路径也与主穿刺路径平行，并添加定位基准柱；在所述穿刺设计软件上通过三层穿刺设计模式，生成穿刺路径的三维数据模型；
4)设计模板基板：在模板基板设计软件上，以靶区中心点为几何中心作边长为40cm的正方形，该正方形区域即为基板区域，设计其厚度为1～2mm；将所述基板区域投影到患者颅脑表面，使基板区域贴合患者颅脑表面，根据患者颅脑形态修剪基板，而后在基板区域上打孔若干个；在基板上设计十字交叉定位基准线以及用于固定替换组件的定位柱；以所述定位组件为中心，按照基板厚度，设计尺寸为2×2cm的定位基板，并将其与定位组件在颅脑端位置融合；以所述钻套组件为中心，按照基板厚度，设计尺寸为2×2cm的钻套基板，并将其与钻套组件在颅脑端位置融合；以所述穿刺组件为中心，按照基板厚度，设计尺寸为2×2cm的穿刺基板，并将其与穿刺组件在颅脑端位置融合；
5)生成三维数据模型：基于以上步骤1)～步骤4)对定位组件、钻套组件、穿刺组件、模板基板的设计结果，由软件生成三维数据模型。
作为优选，步骤5)完成后继续执行以下步骤6)：基于所述三维数据模型由3D打印设备生产。
作为优选，所述3D打印设备为工业级3D打印设备。
作为优选，步骤4)中在基板区域上所打孔的半径为1～2cm。
作为优选，步骤4)中所述替换组件为定位组件、钻套组件或穿刺组件。
作为优选，步骤4)中固定柱的数量为4个。
作为优选，步骤1)中，利用其他可在核磁设备下显影的物质替换所述鱼肝油。
作为优选，步骤4)中所述打孔的位置不规则，所打孔洞用于减轻基板重量。
同时，本发明进一步提供了以上所制备的3D打印模板在CT扫描或MRI扫描中的应用。
本发明提供了一种颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，该方法由可替换组件设计和模板基板设计两部分组成，其中可替换组件又具体包括定位组件、钻套组件和穿刺组件。本发明以病人脑部肿瘤的位置、形态及其与周围组织的关系为依据，基于软件工具生成三维数据模型，可直接用于执行3D打印。打印所得的产品构型能够精准反应病灶区域的真实空间构型，可完全还原临床医生的设计意图，保证穿刺手术的安全性和治疗效果，工作效率大幅度提升，成本显著降低，操作简单，维护方便。同时，由于该方法能适应各种病例的具体情况，因而满足了病人个体化、精准化医疗的需求。
本发明的流程如图1所示，病人经CT/核磁扫描确诊后，根据病情和治疗要求，在靶区内设计出主穿刺路径、辅助穿刺路径，并设计安全备选穿刺路径，自动生成穿刺三维数据模型；根据CT/核磁影像数据，连接颅脑钻孔点和靶区，以此路径为中心，3-10mm为半径，高15mm，生成壁厚为0.5-1mm的中空圆柱形的定位三维数据模型；根据CT/核磁影像数据，以定位模型为参考，设计“T”形的，直径比钻头略大0.2mm的中空钻套的三维数据模型；根据CT/核磁影像数据，勾画出基板区域并使之投影到病人体表，以贴合体表，设计定位基准十字交叉线以及定位基准柱；分别以定位、钻套、穿刺为中心，以基板为基础，勾勒出2×2cm的区域，并分别与定位、钻套、穿刺的颅脑端融合，形成定位、钻套、穿刺组件组合四个部分的设计为颅脑模板。
附图说明
图1是本发明方法的流程框架图。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
实施例1
颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，该方法根据病人个体化精准化医疗的需求和脑部肿瘤的形态以及与周围生物学组织的关系，设计生产的颅脑模板由可替换组件和模板基板两部分组成。可替换组件分别是定位组件、钻套组件和穿刺组件。
一、设计定位组件
在专用的定位组件设计软件上面，通过两点定位法，以选择安全合理的颅骨钻孔点和脑肿瘤靶区(以下简称靶区)的最佳路径为中心线，并避开重要的脑组织功能区、血管、神经等组织，设计直径为3～10mm(按骨钻钻头尺寸选择)，高15mm，壁厚0.5～1mm的中空圆柱体，内可填充鱼肝油等可在核磁设备下显影的物质。
二、设计钻套组件
在专用的钻套组件设计软件上面，按照定位组件的路径和尺寸设计骨钻钻孔用的“T”形钻套，钻套中空，壁厚2～3mm，内直径比钻头直径略大0.2mm，以使钻头通过，该钻套材料为钛合金，表面使用金刚石DLC涂层，以增强钻套表面强度和光洁度，降低摩擦系数，使颅骨钻孔过程安全高效。
三、设计穿刺组件
1、在专用的穿刺组件设计软件上面，勾画出靶区，通过两点定位法，设计靶区内最佳穿刺路径、穿刺方向、穿刺深度、穿刺分布和穿刺数量。
2、在每个穿刺点周围添加安全、合理、数量合适的辅助穿刺路径，这些路径与主穿刺路径平行，但深度不一。
3、为保证穿刺成功率，在靶区外围3-5mm范围内添加安全备用穿刺区域，这些穿刺路径也与主穿刺路径平行。并添加定位基准柱。
通过三层穿刺设计模式，自动生成穿刺路径的三维数据模型。
四、设计模板基板
1、在模板基板专用设计软件上面，勾画出靶区中心点半径20cm的正方形区域为基板区域，设置厚度为1-2mm。
2、把整个基板区域投影到患者颅脑表面，使基板区域贴合患者颅脑表面，根据患者颅脑形态修剪基板。除可替换组件外，在基板区域上不规则打孔(半径1-2cm)若干个，从而减轻基板重量。
3、在基板上设计“十字交叉”定位基准线。
4、在基板上设计可用于固定替换组件的四个定位柱。
5、以定位组件为中心，按照基板厚度，设计2×2cm的定位基板，并与定位组件在颅脑端位置融合。
6、以钻套组件为中心，按照基板厚度，设计2×2cm的钻套基板，并与钻套组件在颅脑端位置融合。
7、以穿刺组件为中心，按照基板厚度，设计2×2cm的穿刺基板，并与穿刺组件在颅脑端位置融合。
五、生成三维数据模型
通过可替换组件和模板基板设计，由软件自动生成三维数据模型。
至此，颅脑定位、钻套、穿刺模板三维数据设计完毕，最后由工业级3D打印设备生产。
实施例2
颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，包括以下步骤：
1)设计定位组件：在定位组件设计软件上，通过两点定位法，确定颅骨钻孔点到脑肿瘤靶区的路径，该路径避开脑组织功能区、血管、神经组织；设计直径为3～10mm，高15mm，壁厚0.5～1mm的中空圆柱体，内填充鱼肝油；
2)设计钻套组件：在钻套组件设计软件上，按照步骤1)所述路径及其尺寸确定用于骨钻的T型钻套，所述T型钻套的壁厚为2～3mm，所述T型钻套的内径比所述T型骨钻的钻头直径大0.2mm，所述T型钻套为钛合金材质，所述T型钻套表面附着有金刚石DLC涂层；
3)设计穿刺组件：在穿刺设计软件上勾画出靶区，通过两点定位法确定靶区内主穿刺路径的穿刺方向、穿刺深度、穿刺分布和穿刺数量；在每个穿刺点周围添加辅助穿刺路径，所述辅助穿刺路径与所述主穿刺路径平行，二者深度不相同；在靶区外围3～5mm范围内添加备用穿刺区域，所述备用穿刺区域上的穿刺路径也与主穿刺路径平行，并添加定位基准柱；在所述穿刺设计软件上通过三层穿刺设计模式，生成穿刺路径的三维数据模型；
4)设计模板基板：在模板基板设计软件上，以靶区中心点为几何中心作边长为40cm的正方形，该正方形区域即为基板区域，设计其厚度为1～2mm；将所述基板区域投影到患者颅脑表面，使基板区域贴合患者颅脑表面，根据患者颅脑形态修剪基板，而后在基板区域上打孔若干个；在基板上设计十字交叉定位基准线以及用于固定替换组件的定位柱；以所述定位组件为中心，按照基板厚度，设计尺寸为2×2cm的定位基板，并将其与定位组件在颅脑端位置融合；以所述钻套组件为中心，按照基板厚度，设计尺寸为2×2cm的钻套基板，并将其与钻套组件在颅脑端位置融合；以所述穿刺组件为中心，按照基板厚度，设计尺寸为2×2cm的穿刺基板，并将其与穿刺组件在颅脑端位置融合；
5)生成三维数据模型：基于以上步骤1)～步骤4)对定位组件、钻套组件、穿刺组件、模板基板的设计结果，由软件生成三维数据模型。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)设计定位组件：在定位组件设计软件上，通过两点定位法，确定颅骨钻孔点到脑肿瘤靶区的路径，该路径避开脑组织功能区、血管、神经组织；设计直径为3～10mm，高15mm，壁厚0.5～1mm的中空圆柱体，内填充鱼肝油；
2)设计钻套组件：在钻套组件设计软件上，按照步骤1)所述路径及其尺寸确定用于骨钻的T型钻套，所述T型钻套的壁厚为2～3mm，所述T型钻套的内径比所述骨钻的钻头直径大0.2mm，所述T型钻套为钛合金材质，所述T型钻套表面附着有金刚石DLC涂层；
3)设计穿刺组件：在穿刺设计软件上勾画出靶区，通过两点定位法确定靶区内主穿刺路径的穿刺方向、穿刺深度、穿刺分布和穿刺数量；在每个穿刺点周围添加辅助穿刺路径，所述辅助穿刺路径与所述主穿刺路径平行，二者深度不相同；在靶区外围3～5mm范围内添加备用穿刺区域，所述备用穿刺区域上的穿刺路径也与主穿刺路径平行，并添加定位基准柱；在所述穿刺设计软件上通过三层穿刺设计模式，生成穿刺路径的三维数据模型；
4)设计模板基板：在模板基板设计软件上，以靶区中心点为几何中心作边长为40cm的正方形，该正方形区域即为基板区域，设计其厚度为1～2mm；将所述基板区域投影到患者颅脑表面，使基板区域贴合患者颅脑表面，根据患者颅脑形态修剪基板，而后在基板区域上打孔若干个；在基板上设计十字交叉定位基准线以及用于固定替换组件的定位柱；以所述定位组件为中心，按照基板厚度，设计尺寸为2×2cm的定位基板，并将其与定位组件在颅脑端位置融合；以所述钻套组件为中心，按照基板厚度，设计尺寸为2×2cm的钻套基板，并将其与钻套组件在颅脑端位置融合；以所述穿刺组件为中心，按照基板厚度，设计尺寸为2×2cm的穿刺基板，并将其与穿刺组件在颅脑端位置融合；
5)生成三维数据模型：基于以上步骤1)～步骤4)对定位组件、钻套组件、穿刺组件、模板基板的设计结果，由软件生成三维数据模型。
2.根据权利要求1所述的颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，其特征在于步骤5)完成后继续执行以下步骤6)：基于所述三维数据模型由3D打印设备生产。
3.根据权利要求2所述的颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，其特征在于所述3D打印设备为工业级3D打印设备。
4.根据权利要求1所述的颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，其特征在于步骤4)中在基板区域上所打孔的半径为1～2cm。
5.根据权利要求1所述的颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，其特征在于步骤4)中所述替换组件为定位组件、钻套组件或穿刺组件。
6.根据权利要求1所述的颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，其特征在于步骤4)中固定柱的数量为4个。
7.根据权利要求1所述的颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，其特征在于步骤1)中，利用其他可在核磁设备下显影的物质替换所述鱼肝油。
8.根据权利要求1所述的颅脑肿瘤定位、钻孔、穿刺手术用3D打印模板的设计方法，其特征在于步骤4)中所述打孔的位置不规则，所打孔洞用于减轻基板重量。
9.权利要求1所设计的3D打印模板在CT扫描或MRI扫描中的应用。
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