CN108742770A - 用于全髋关节置换手术的锉磨导板及其制造、使用方法 - Google Patents

用于全髋关节置换手术的锉磨导板及其制造、使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于全髋关节置换手术的锉磨导板，包括根据患者髋臼臼窝的三维模型以1:1的比例进行3D打印的窝形导板，沿窝形导板开口的边缘外侧均匀分布有至少两根空心导柱；窝形导板与髋臼臼窝内表面贴合后，能够使得空心导柱的轴线平行于患者髋臼轴。还公开了制作方法，利用三维逆向建模软件根据患者骨盆CT扫描图像建立三维髋臼臼窝模型，在三维模型设计软件中确定髋臼轴并设计出锉磨导板的三维模型，进行3D打印即得到锉磨导板。还公开了使用方法，在空心导柱中打入钢钉，取下锉磨导板，使得髋臼锉能够沿着钢钉的轴线方向进行锉磨。本发明提高了锉磨方向的定位精度，简化锉磨操作，降低对医生的经验技术水平要求。

Description

用于全髋关节置换手术的锉磨导板及其制造、使用方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种用于全髋关节置换手术的锉磨导板以及该锉磨导板的制造方法。
背景技术
全髋关节由髋臼和股骨头组成，全髋关节置换手术是利用人造全髋关节替换人体病变的全髋关节。全髋关节置换手术中需要进行髋臼清理，清理的过程包括软组织切除、骨赘切除以及髋臼锉磨。髋臼锉磨是利用髋臼锉对髋臼进行加深加大以形成便于安装臼杯（人造髋臼）的臼床，臼床的深度、宽度以及臼床轴心线与患者髋臼轴的重合度是影响臼杯安装稳定性的重要因素。因此，在临床中要求分别以髋臼的前倾角和外展角作为髋臼锉的锉磨角度进行锉磨。然而，由于难以对锉磨角进行定位，目前主要依赖医生的专业水平和经验对锉磨角进行主观判断，这样就容易导致臼床的轴心线与患者原本的髋臼轴发生较大偏差，从而导致臼杯植入位置偏差，影响手术疗效。由此可见，如何提高锉磨角度的定位精度是提高臼杯假体植入精度的关键因素。 另外，由于个体之间的差异，不同患者的髋臼形态存在差异（前倾角或外展角存在差异），不同患者需要的锉磨角度也不同。
因此，研发一套个性化髋臼锉磨定位装置和定位方法，使之具备较高的个性化精确度和临床适用性，提高髋臼锉磨和臼杯假体植入的精确度，对提高全髋关节术后效果具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种用于全髋关节置换手术的锉磨导板，解决现有技术中对锉磨角度进行主观定位导致臼杯植入位置偏差较大的技术问题，能够辅助提高锉磨方向的定位精度，能够利于简化锉磨操作，能够降低对医生的经验技术水平要求。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种用于全髋关节置换手术的锉磨导板，其特征在于：包括根据患者髋臼臼窝的三维模型进行3D打印的窝形导板，并且打印比例为1:1，从而使得窝形导板具有能够与患者髋臼臼窝内表面贴合的外表面；沿窝形导板开口的边缘外侧均匀分布有至少两根空心导柱，空心导柱固定连接在窝形导板上；窝形导板与髋臼臼窝内表面贴合后，使得空心导柱的轴线平行于患者髋臼轴。
优选的，所述窝形导板与空心导柱一体打印成型。
优选的， 空心导柱的数量为3，相邻空心导柱之间的间距相等。
本发明还提供一种上述用于全髋关节置换手术的锉磨导板的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：根据患者骨盆的CT扫描图像确定患者髋臼的前倾角与外展角的大小；
步骤2：根据患者骨盆CT扫描图像，利用三维逆向建模软件建立患者的三维髋臼臼窝模型；
步骤3：在三维模型设计软件中找到三维髋臼臼窝模型的几何中心点，然后将三维髋臼臼窝模型的几何中心点与XYZ三轴坐标系的原点O重合，XYZ三轴坐标系以Z轴为垂直轴，以X轴为横轴，并以Y轴为纵轴；
步骤4：以YOZ平面为矢状面，并以XOZ平为冠状面，在XYZ三轴坐标系中根据前倾角与外展角确定出髋臼轴，髋臼轴是以原点O为起点的射线；
步骤5：以三维髋臼臼窝模型作为窝形导板；在窝形导板开口的边缘外侧设计至少两根与窝形导板相连的空心导柱，空心导柱沿窝形导板开口的边缘外侧均匀分布，并且空心导柱的轴线平行于髋臼轴，从而完成锉磨导板的三维模型设计；
步骤6：生成锉磨导板的数字模型文件，3D打印机根据锉磨导板的数字模型文件进行1:1打印，从而制作出用于全髋关节置换手术的锉磨导板。
优选的，步骤4按如下步骤进行：
步骤401：建立单元体模型作为三维髋臼臼窝模型的简化模型，单元体模型为矩形体；
步骤402：将单元体模型的一个顶点重合在XYZ三轴坐标系的原点O上，并且该顶点所在的一条棱与Z轴重合，从而使得单元体模型上共用该棱的两个面分别位于矢状面与冠状面上；
步骤403：根据外展角的定义以及外展角的大小，找到髋臼轴在冠状面上的投影线，所述投影线是以原点O为起点的射线，并且在冠状面上与Z轴的夹角大小等于外展角；其中，外展角的定义为髋臼轴在冠状面上的投影与垂直轴的夹角；
步骤404：根据髋臼轴在冠状面上的投影线、前倾角的定义以及前倾角的大小确定髋臼轴，所述髋臼轴为以原点O为起点的射线，并且其与所述投影线的夹角大小等于前倾角；其中，前倾角的定义为髋臼轴与冠状面上投影线之间的夹角。
优选的，步骤2中按如下方式建立三维髋臼臼窝模型：首先根据患者骨盆的CT扫描图像建立骨盆三维模型，然后提取骨盆三维模型上髋臼臼窝内表面，最后将所提取到的髋臼臼窝内表面向内加厚，从而得到三维髋臼臼窝模型。
本发明还提供一种上述用于全髋关节置换手术的锉磨导板的使用方法，首先，将所述锉磨导板置于患者的髋臼臼窝内，使得窝形导板的外表面与患者髋臼臼窝内表面贴合后；然后，在空心导柱内轴向插入钢钉，并将钢钉固定在骨盆上，从而使得钢钉的轴线平行于髋臼轴；最后，沿着钢钉取下锉磨导板，从而使得髋臼锉能够沿着钢钉的轴线方向进行锉磨， 即使得髋臼锉能够沿着髋臼轴进行锉磨。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于窝形导板是根据患者髋臼臼窝的三维模型以1:1比例进行3D打印，从而使得窝形导板的形状大小与患者髋臼臼窝相匹配，进而使得锉磨导板放入患者的髋臼臼窝后，能够使得空心导柱的轴线平行于患者髋臼轴；空心导柱内部中空，因此能够插入钢钉，并且插入钢钉后，整个锉磨导板能够从钢钉上取下来，使得髋臼锉能够打磨到髋臼臼窝内表面；由于空心导柱的的轴线平行于髋臼轴，因此，钢钉打入空心导柱后，使得钢钉的轴线平行于髋臼轴，这样髋臼锉沿着钢钉进行锉磨，便能使得髋臼锉沿着髋臼轴进行锉磨。
2、发明的窝形导板直接定位髋臼轴，与现有技术中先后以前倾角和外展角作为磋磨角进行分步打磨的方式不同，本发明的锉磨导板能够实现一步到位，大大简化了锉磨操作。
3、窝形导板与空心导柱一体打印成型，不仅能提高窝形导板与空心导柱的连接强度，更能保证空心导柱的轴线平行于髋臼轴。
4、设置3根均匀分布在窝形导板开口边缘上的空心导柱，使得空心导柱能够环绕髋臼轴，这样3根空心导柱对髋臼锉的前后左右均进行了限制，避免髋臼锉发生偏移，使得髋臼锉的轴线更好的与髋臼轴重合。
5、本发明的锉磨导板制作方法实现了锉磨导板的制作，满足了空心导柱平行于髋臼轴的要求，同时实现了锉磨导板的个性化定制，并且通过3D打印的方式能缩短制作周期，降低制造难度。
6、通过单元体模型来确定髋臼轴，与直接在三维髋臼臼窝模型上确定髋臼轴相比，能够更加直观、方便。
7、通过提取髋臼臼窝内表面再加厚的方式获得三维髋臼臼窝模型，使得制成的窝形导板能够与患者髋臼臼窝内表面很好的贴合，从而使得窝形导板放入患者髋臼臼窝后，在髋臼臼窝对窝形导板的贴合限制下，使得窝形导板的轴心线能更好地与患者的髋臼轴重合，提高定位精度。
8、本发明的使用方法能够实现取下锉磨导板后对髋臼锉的锉磨方向进行导向，髋臼锉沿着钢钉进行锉磨便能得到轴心线与髋臼轴重合的臼床，操作简单方便。
附图说明
图1是本具体实施方式中用于全髋关节置换手术的锉磨导板的三维仿真示意图；
图2是利用单元体模型确定髋臼轴的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种用于全髋关节置换手术的锉磨导板，其特征在于：包括根据患者髋臼臼窝的三维模型进行3D打印的窝形导板，并且打印比例为1:1，从而使得窝形导板具有能够与患者髋臼臼窝内表面贴合的外表面；沿窝形导板开口的边缘外侧均匀分布有至少两根空心导柱，空心导柱固定连接在窝形导板上；窝形导板与髋臼臼窝内表面贴合后，能够使得空心导柱的轴线平行于患者髋臼轴。
由于窝形导板是根据患者髋臼臼窝的三维模型以1:1比例进行3D打印，从而使得窝形导板的形状大小与患者髋臼臼窝相匹配，进而使得锉磨导板放入患者的髋臼臼窝后，能够使得空心导柱的轴线平行于患者髋臼轴；空心导柱内部中空，因此能够插入钢钉，并且插入钢钉后，整个锉磨导板能够从钢钉上取下来，使得髋臼锉能够打磨到髋臼臼窝内表面；由于空心导柱的的轴线平行于髋臼轴，因此，钢钉打入空心导柱后，使得钢钉的轴线平行于髋臼轴，这样髋臼锉沿着钢钉进行锉磨，便能使得髋臼锉沿着髋臼轴进行锉磨。本具体实施方式中，所述窝形导板采用聚十二内酰胺、聚丙烯、聚醚醚酮、聚碳酸酯中的任意一种打印而成。
本具体实施方式中，所述窝形导板与空心导柱一体打印成型。窝形导板与空心导柱一体打印成型，不仅能提高窝形导板与空心导柱的连接强度，更能保证空心导柱的轴线平行于髋臼轴。
本具体实施方式中，空心导柱的数量为3，相邻空心导柱之间的间距相等。设置3根均匀分布在窝形导板开口边缘上的空心导柱，使得空心导柱能够环绕髋臼轴，这样3根空心导柱对髋臼锉的前后左右均进行了限制，避免髋臼锉发生偏移，使得髋臼锉的轴线更好的与髋臼轴重合。当然，空心导柱的数量还可以是3个以上，采用3根空心导柱既能达到良好的导向效果，又能节省成本。
一种用于全髋关节置换手术的锉磨导板的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：根据患者骨盆的CT扫描图像确定患者髋臼的前倾角与外展角的大小；
步骤2：根据患者骨盆CT扫描图像，利用三维逆向建模软件建立患者的三维髋臼臼窝模型；
步骤3：在三维模型设计软件中找到三维髋臼臼窝模型的几何中心点，然后将三维髋臼臼窝模型的几何中心点与XYZ三轴坐标系的原点O重合，XYZ三轴坐标系以Z轴为垂直轴，以X轴为横轴，并以Y轴为纵轴；
步骤4：以YOZ平面为矢状面，并以XOZ平为冠状面，在XYZ三轴坐标系中根据前倾角与外展角确定出髋臼轴，髋臼轴是以原点O为起点的射线；
步骤5：以三维髋臼臼窝模型作为窝形导板；在窝形导板开口的边缘外侧设计至少两根与窝形导板相连的空心导柱，空心导柱沿窝形导板开口的边缘外侧均匀分布，并且空心导柱的轴线平行于髋臼轴，从而完成锉磨导板的三维模型设计；
步骤6：生成锉磨导板的数字模型文件，3D打印机根据锉磨导板的数字模型文件进行1:1打印，从而制作出用于全髋关节置换手术的锉磨导板。
本具体实施方式中，在利用三维逆向建模软件建立出三维髋臼臼窝模型后，再利用模型网格修复软件对通过三维逆向建模软件建立的三维髋臼臼窝模型进行修复处理，以去除三维髋臼臼窝模型上的尖角、毛刺，这样使得打印出的窝形导板能更好的与髋臼臼窝内表面贴合。三维逆向建模软件为Mimics医学逆向建模软件，模型网格修复软件的名称为Geomagic Studio，三维模型设计软件的名称为3-matic。
本具体实施方式中，通过单元体模型来确定髋臼轴，与直接在三维髋臼臼窝模型上确定髋臼轴相比，能够更加直观、方便，如图2所示，具体地步骤4按如下步骤进行：
步骤401：建立单元体模型作为三维髋臼臼窝模型的简化模型，单元体模型为矩形体；
步骤402：将单元体模型的一个顶点重合在XYZ三轴坐标系的原点O上，并且该顶点所在的一条棱与Z轴重合，从而使得单元体模型上共用该棱的两个面分别位于矢状面与冠状面上；
步骤403：根据外展角的定义以及外展角的大小，找到髋臼轴在冠状面上的投影线ON，所述投影线ON是以原点O为起点的射线，并且在冠状面上与Z轴的夹角∠PON的大小等于外展角；其中，外展角的定义为髋臼轴在冠状面上的投影与垂直轴的夹角；
步骤404：根据髋臼轴在冠状面上的投影线ON、前倾角的定义以及前倾角的大小确定髋臼轴OM，所述髋臼轴OM为以原点O为起点的射线，并且其与所述投影线ON的夹角∠MON的大小等于前倾角；其中，前倾角的定义为髋臼轴与冠状面上投影线之间的夹角。
本具体实施方式中，步骤2中按如下方式建立三维髋臼臼窝模型：首先根据患者骨盆的CT扫描图像建立骨盆三维模型，然后提取骨盆三维模型上髋臼臼窝内表面，最后将所提取到的髋臼臼窝内表面向内加厚，加厚3~5mm，从而得到三维髋臼臼窝模型。通过提取髋臼臼窝内表面再加厚的方式获得三维髋臼臼窝模型，使得制成的窝形导板能够与患者髋臼臼窝内表面很好的贴合，从而使得窝形导板放入患者髋臼臼窝后，在髋臼臼窝对窝形导板的贴合限制下，使得空心导柱的轴心线能与患者的髋臼轴平行，提高定位精度。
一种用于全髋关节置换手术的锉磨导板的使用方法：首先，将所述锉磨导板置于患者的髋臼臼窝内，由于窝形导板是根据患者髋臼的三维模型以1:1进行3D打印，从而使得窝形导板的形状大小与患者髋臼臼窝相匹配，进而在锉磨导板放入患者的髋臼臼窝后，能够使得空心导柱的轴线线与患者的髋臼轴平行；然后，在空心导柱内轴向插入钢钉，并将钢钉固定在骨盆上，从而使得钢钉的轴线平行于髋臼轴；最后，沿着钢钉取下锉磨导板，从而使得髋臼锉能够沿着钢钉的轴线方向进行锉磨， 即使得髋臼锉能够沿着髋臼轴进行锉磨。在医生对髋臼臼窝进行锉磨时，选择合适型号的髋臼锉，然后顺着钢钉方向推压髋臼锉便能进行锉磨，锉磨完成后能够得到轴心线与髋臼轴重合的臼床，从而提高臼杯假体植入臼床的定位精度，使得臼杯假体的轴心线能与髋臼轴重合，对提高全髋关节术后效果具有重要意义。
由于本发明的窝形导板直接定位髋臼轴，因此髋臼锉沿着钢钉进行锉磨便能得到轴心线与髋臼轴重合的臼床，与现有技术中先后以前倾角和外展角作为磋磨角进行分步打磨的方式不同，利用本发明的锉磨导板进行锉磨导向能够实现一步到位，大大简化了锉磨操作。

Claims (10)

1.一种用于全髋关节置换手术的锉磨导板，其特征在于：包括根据患者髋臼臼窝的三维模型进行3D打印的窝形导板，并且打印比例为1:1，从而使得窝形导板具有能够与患者髋臼臼窝内表面贴合的外表面；沿窝形导板开口的边缘外侧均匀分布有至少两根空心导柱，空心导柱固定连接在窝形导板上；窝形导板与髋臼臼窝内表面贴合后，能够使得空心导柱的轴线平行于患者髋臼轴。
2.根据权利要求1所述的用于全髋关节置换手术的锉磨导板，其特征在于：所述窝形导板采用聚十二内酰胺、聚丙烯、聚醚醚酮、聚碳酸酯中的任意一种打印而成。
3.根据权利要求1或2所述的用于全髋关节置换手术的锉磨导板，其特征在于：所述窝形导板与空心导柱一体打印成型。
4.根据权利要求1所述的用于全髋关节置换手术的锉磨导板，其特征在于：空心导柱的数量为3，相邻空心导柱之间的间距相等。
5.一种如权利要求1所述的用于全髋关节置换手术的锉磨导板的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据患者骨盆的CT扫描图像确定患者髋臼的前倾角与外展角的大小；
步骤2：根据患者骨盆CT扫描图像，利用三维逆向建模软件建立患者的三维髋臼臼窝模型；
步骤3：在三维模型设计软件中找到三维髋臼臼窝模型的几何中心点，然后将三维髋臼臼窝模型的几何中心点与XYZ三轴坐标系的原点O重合，XYZ三轴坐标系以Z轴为垂直轴，以X轴为横轴，并以Y轴为纵轴；
步骤4：以YOZ平面为矢状面，并以XOZ平为冠状面，在XYZ三轴坐标系中根据前倾角与外展角确定出髋臼轴，髋臼轴是以原点O为起点的射线；
步骤5：以三维髋臼臼窝模型作为窝形导板；在窝形导板开口的边缘外侧设计至少两根与窝形导板相连的空心导柱，空心导柱沿窝形导板开口的边缘外侧均匀分布，并且空心导柱的轴线平行于髋臼轴，从而完成锉磨导板的三维模型设计；
步骤6：生成锉磨导板的数字模型文件，3D打印机根据锉磨导板的数字模型文件进行1:1打印，从而制作出用于全髋关节置换手术的锉磨导板。
6.根据权利要求5所述的用于全髋关节置换手术的锉磨导板的制作方法，其特征在于：在利用三维逆向建模软件建立出三维髋臼臼窝模型后，再利用模型网格修复软件对通过三维逆向建模软件建立的三维髋臼臼窝模型进行修复处理，以去除三维髋臼臼窝模型上的尖角、毛刺。
7.根据权利要求6所述的用于全髋关节置换手术的锉磨导板的制作方法，其特征在于：三维逆向建模软件为Mimics医学逆向建模软件，模型网格修复软件的名称为GeomagicStudio，三维模型设计软件的名称为3-matic。
8.根据权利要求5所述的用于全髋关节置换手术的锉磨导板的制作方法，其特征在于：步骤4按如下步骤进行：
步骤401：建立单元体模型作为三维髋臼臼窝模型的简化模型，单元体模型为矩形体；
步骤402：将单元体模型的一个顶点重合在XYZ三轴坐标系的原点O上，并且该顶点所在的一条棱与Z轴重合，从而使得单元体模型上共用该棱的两个面分别位于矢状面与冠状面上；
步骤403：根据外展角的定义以及外展角的大小，找到髋臼轴在冠状面上的投影线，所述投影线是以原点O为起点的射线，并且在冠状面上与Z轴的夹角大小等于外展角；其中，外展角的定义为髋臼轴在冠状面上的投影与垂直轴的夹角；
步骤404：根据髋臼轴在冠状面上的投影线、前倾角的定义以及前倾角的大小确定髋臼轴，所述髋臼轴为以原点O为起点的射线，并且其与所述投影线的夹角大小等于前倾角；其中，前倾角的定义为髋臼轴与冠状面上投影线之间的夹角。
9.根据权利要求5所述的用于全髋关节置换手术的锉磨导板的制作方法，其特征在于：步骤2中按如下方式建立三维髋臼臼窝模型：首先根据患者骨盆的CT扫描图像建立骨盆三维模型，然后提取骨盆三维模型上髋臼臼窝内表面，最后将所提取到的髋臼臼窝内表面向内加厚，从而得到三维髋臼臼窝模型。
10.一种如权利要求1所述的用于全髋关节置换手术的锉磨导板的使用方法，其特征在于：首先，将所述锉磨导板置于患者的髋臼臼窝内，使得窝形导板的外表面与患者髋臼臼窝内表面贴合；然后，在空心导柱内轴向插入钢钉，并将钢钉固定在骨盆上，从而使得钢钉的轴线平行于髋臼轴；最后，沿着钢钉取下锉磨导板，从而使得髋臼锉能够沿着钢钉的轴线方向进行锉磨， 即使得髋臼锉能够沿着髋臼轴进行锉磨。
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