CN108836457B - 一种3d打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D打印的个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器，属于关节镜外科手术技术领域。该定位器根据患者术前CT和MRI数据个性化设计、由3D打印机快速打印成型，可通过关节镜微创手术切口进入膝关节腔内精确定位前交叉韧带股骨隧道。该定位器包括骨贴合部分、定位孔和手柄：骨贴合部分采用髁间窝外上角联合髁间窝外侧壁接触贴合定位设计，定位孔根据患者术前CT三维重建数据个性化设计，手柄为曲度设计可避免操作时与关节镜入路冲突。本结构简明新颖，适用于个性化前交叉韧带重建术、前交叉韧带翻修术。
Description
技术领域
本发明属于关节镜外科手术技术领域，具体涉及一种3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器及其制备方法。
背景技术
前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是一种常见的运动损伤，损伤后会导致膝关节不稳，并且常伴有半月板及关节软骨损伤，晚期会导致创伤性关节炎，加速关节退变，影响患者生活质量。关节镜下ACL重建是恢复膝关节功能的最佳选择。
只有在接近ACL实际解剖位置的重建，才能大限度地恢复膝关节的解剖结构和功能。ACL解剖重建是根据ACL解剖特点进行功能重建，从而恢复ACL原有尺寸、韧带胶原纤维走行方向和止点位置。根据Freddie H. Fu 等学者的经验与理论，准确的骨隧道定位是ACL解剖重建最重要的技术难点。
3D打印定位器在脊柱外科椎弓根钉定位上已有广泛的应用，极大的提高了定位的准确性并降低了手术难度。而我们前期已在ACL三维模型及虚拟手术方面做了大量的研究。两者相结合，从而研制出了一种3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器，以适用于个性化前交叉韧带重建术、前交叉韧带翻修术。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于ACL损伤患者的3D打印的个性化前交叉韧带重建的股骨隧道定位器及其制备方法，该定位器适用于个性化前交叉韧带重建术、前交叉韧带翻修术。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器的制备方法，包括如下步骤：
步骤（1），术前对患者行双膝关节伸直位CT和MRI，之后用CT数据重建骨骼，用MRI数据重建前交叉韧带和软骨，并将重建后的骨骼与前交叉韧带和软骨匹配，重建出双膝关节三维数字化模型；
步骤（2），在步骤（1）得到的膝关节三维数字化模型中，选择健侧膝关节ACL股骨足印区中心镜像匹配后作为患侧膝关节股骨隧道定位点，经内侧低位辅助入路过定位点模拟重建股骨隧道，用Cylinder 1（圆柱1）标记；
步骤（3），复制患侧膝关节股骨外侧髁模型，对复制的患侧膝关节股骨外侧髁模型向股骨远端背侧内侧移动并与原患侧膝关节股骨外侧髁模型Boolean-Minus（布尔算法-消减）得到股骨外侧髁包壳；Simulation-Cut（切割）包壳，Cylinder 1（圆柱1）处需包绕Cylinder 1（圆柱1）的上半部分，沿Blumensaat’s线走行至髁间窝顶点处为止并向外侧髁包裹，形成定位器的骨贴合部；导入STL手柄与骨贴合部Boolean-Unite（布尔算法-联合）生成Unite 1（联合体1）；Unite 1（联合体1）与Cylinder 1（圆柱1）Boolean-Minus（布尔算法-消减）形成定位孔，从而得到前交叉韧带股骨定位器模型；将前交叉韧带股骨定位器模型导出为STL文件；其中，所述的前交叉韧带股骨定位器模型包括骨贴合部、STL手柄和定位孔；
步骤（4），将步骤（3）得到的前交叉韧带股骨定位器模型的STL文件导入Cura分层软件，调整角度、支撑和打印参数后，导出为G-code格式，之后使用3D打印机打印，去支撑结构后，得到个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器。
进一步，优选的是，MRI为3.0T核磁共振，矢状位扫描；扫描参数：重复时间1300ms，回波时间32ms；层厚0.5 mm；层间距0.47mm；回波链14；激励2次；矩阵280/299；视域140。
进一步，优选的是，CT为64排CT，冠状位扫描，层厚0.1mm。
进一步，优选的是，步骤（1）中将CT和MRI别导入Mimics17.0交互式医学图像处理软件，用CT数据重建骨骼，用MRI数据重建前交叉韧带和软骨，之后将重建后的骨骼与前交叉韧带和软骨匹配。
进一步，优选的是，步骤（3）中，对复制的患侧膝关节股骨外侧髁模型移动时，向股骨远端背侧内侧各移动2mm；切割时，沿Blumensaat’s线走行宽度为5mm，至髁间窝顶点处为止并向外侧髁包裹3mm。
进一步，优选的是，打印参数为壁厚1.2mm，填充15%。
进一步，优选的是，个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器经低温等离子消毒后备术中用。其中，低温等离子消毒为临床常用消毒方法，灭菌循环温度为47-56℃，一般不用特别注明。
本发明同时提供上述3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器的制备方法制得的个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器。
进一步，优选的是，手柄为弧形的圆柱状，长20cm；
进一步，优选的是，手柄与骨贴合部连接处为偏向股骨外侧髁方向的曲度设计，折角为30度，以便于通过关节镜标准前外侧入路。
进一步，优选的是，所述的定位孔为3mm直径半圆形槽样结构（U型），以便于克氏针打入隧道后股骨定位器的取出。
本发明个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器，包括骨贴合部、定位孔和手柄；
骨贴合部为“L”形构造（根据每位患者骨性特征不同会有变化），贴合面根据患者术前CT三维重建数据个性化设计，采用髁间窝外上角为主要标志位作为主贴合面，联合髁间窝外侧壁辅助贴合；
定位孔为3mm直径半圆形槽样结构（U型），根据患者术前MRI三维重建数据中健侧膝关节ACL股骨足印区确定定位孔的位置；
手柄为弧形圆柱状，长20cm，与骨贴合部分连接处为曲度设计，偏向股骨外侧髁方向的折角为30度，便于通过关节镜标准前外侧入路。
本发明中考虑到因患侧膝关节交叉韧带断裂，足印区已破坏，因此采用健侧膝关节足印区中心镜像匹配至患侧，作为定位点。
本发明中导入Cura分层软件，调整角度的目的是使打印层高度最小，调整支撑的目的是使支撑最少同时使模型不脱落。
本发明隧道定位器的骨面贴合设计理念有益于定位器在关节腔内的精确定位和牢靠固定；在具体实施中，采用患者健侧膝关节的MRI数字化三维模型为基准测量ACL股骨止点位置，然后术中使用本发明定位器依据患者自身健侧膝关节数据进行患侧膝关节ACL股骨隧道定位。本发明定位器为陈旧性ACL损伤的个性化重建提供了一种新工具。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
现有ACL重建手术技术对于原止点不清的陈旧性ACL损伤无法进行个性化重建，本发明的定位器适用于个性化前交叉韧带重建术、前交叉韧带翻修术，并可适用于后交叉韧带个性化重建手术，适用范围广。
同时本发明的定位器带有个性化设计的优点，与以往的定位设备相比大大提高的前交叉韧带股骨隧道定位的精确度，同时也大大提高手术效率。
本发明的定位器完全在MIMICS软件上完成设计，无需借助其他工程软件，操作简单，无需医学工程师，临床医师即可完成设计，推广性强。
附图说明
图1 在Mimics17.0上建立膝关节三维数字化模型；
图2 健侧膝关节ACL股骨足印区中心镜像匹配后作为股骨隧道定位点；
图3 模拟重建股骨隧道，用Cylinder 1标记；
图4 Duplicate股骨外侧髁模型向前下内各移动Move 2mm；
图5 Boolean-Minus得到股骨外侧髁包壳；
图6 依据Cylinder 1的位置切割Simulation-Cut 包壳形成定位器骨贴合部；
图7 导入STL手柄与骨贴合部Boolean-Unite生成Unite 1；
图8 与Cylinder 1 Boolean-Minus得到U型定位孔；
图9 股骨定位器模型导出为STL文件；（图中，1为骨贴合部；2为STL手柄；3为定位孔）
图10 模型导入Cura分层软件；
图11 3D打印的个性化股骨隧道定位器；
图12 3D打印定位器通过关节镜微创切口插入关节腔；
图13 用克氏针通过定位器上的定位孔钻取个体化股骨隧道；
图14 术后进行MRI扫描发现重建的ACL位置精确。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用部件、仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
术前膝关节ACL三维建模
(1)术前对患者行双膝关节伸直位CT和MRI检查，在工作站上将图像以DICOM格式存储并刻录到CD-ROM上（MRI：使用3.0T核磁共振，矢状位扫描，扫描参数：重复时间 1300ms，回波时间 32 ms；层 厚 0.5 mm；层间距0.47 mm；回波链14；激励 2 次；矩 阵 280/299；视域 140。CT：使用64排CT，冠状位扫描，层厚0.1mm。）。
(2)人体膝关节三维数字化模型重建：在计算机工作站上，将膝关节扫描图像(DICOM)导入Mimics17.0交互式医学图像处理软件（Materialise 公司，比利时），采用MRI图像重建出前交叉韧带及软骨模型，采用CT图像重建出骨骼模型，匹配后重建出膝关节三维数字化模型（图1）。
(3)健侧膝关节ACL股骨足印区中心镜像匹配后作为患侧膝关节股骨隧道定位点（图2），经内侧低位辅助入路过定位点模拟重建股骨隧道，用Cylinder 1（圆柱1）标记（图3）。
术前个性化股骨隧道定位器三维建模及3D打印
(1)在MIMICS上完成股骨定位器的设计：Duplicate（复制）患侧膝关节股骨外侧髁模型，复制件向向股骨远端背侧内侧各Move（移动）2mm（图4），与股骨外侧髁模型Boolean-Minus得到股骨外侧髁包壳（图5）。依据Cylinder 1的位置切割Simulation-Cut 包壳形成定位器骨贴合部（图6），具体为：Simulation-Cut（切割）包壳，Cylinder 1（圆柱1）处需包绕Cylinder 1（圆柱1）的上半部分，沿Blumensaat’s线走行至髁间窝顶点处为止并向外侧髁包裹，形成定位器的骨贴合部。导入STL手柄与骨贴合部Boolean-Unite生成Unite 1（图7）。与Cylinder 1 Boolean-Minus得到定位孔（图8），也形成了前交叉韧带股骨定位器模型。将前交叉韧带股骨定位器模型导出为STL文件（图9）。
(2)将前交叉韧带股骨定位器模型STL文件导入Cura分层软件（图10），调整角度、支撑、打印参数后，导出为G-code格式，将分好层的模型保存到SD卡中。其中，打印参数为壁厚1.2mm，填充15%。调整角度的目的是使打印层高度最小，调整支撑的目的是使支撑最少同时使模型不脱落。
(3)将SD卡插入医学影像三维重建实体规划系统的3D打印机，打印个体化股骨隧道定位器（图11）。去支撑结构后送低温等离子消毒，备术中用。
所得到的个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器。手柄为弧形的圆柱状，长20cm；手柄与骨贴合部连接处为偏向股骨外侧髁方向的曲度设计，折角为30度；定位孔为3mm直径半圆形槽样结构。
术中应用3D打印的个性化股骨隧道定位器
(1)关节镜手术中，将3D打印的个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器通过1cm关节镜微创入路插入关节腔（图12）。
(2)将本发明隧道定位器调整后至股骨外侧髁前下方软骨缘，贴付于股骨外侧髁内侧面至完全匹配。用克氏针通过定位器上的定位孔钻取个性化股骨隧道（图13）。术后进行MRI扫描发现重建的ACL位置精确（图14）。
股骨隧道个性化定位器的临床应用
选取20例ACL损伤患者，均知情告知后，进行个性化ACL解剖重建术。将本发明定位器灭菌后，按上述手术技术进行定位器的临床应用，结果均成功完成个性化ACL解剖重建术。
20例患者术后伤口均一期愈合，无早期并发症，术后均进行MRI扫描ACL位置精确，患者术后膝关节功能良好。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1），术前对患者行双膝关节伸直位CT和MRI，之后用CT数据重建骨骼，用MRI数据重建前交叉韧带和软骨，并将重建后的骨骼与前交叉韧带和软骨匹配，重建出双膝关节三维数字化模型；
步骤（2），在步骤（1）得到的膝关节三维数字化模型中，选择健侧膝关节ACL股骨足印区中心镜像匹配后作为患侧膝关节股骨隧道定位点，经内侧低位辅助入路过定位点模拟重建股骨隧道，用圆柱1标记；
步骤（3），复制患侧膝关节股骨外侧髁模型，对复制的患侧膝关节股骨外侧髁模型向股骨远端背侧内侧移动并与原患侧膝关节股骨外侧髁模型经布尔算法-消减得到股骨外侧髁包壳；切割包壳，圆柱1处需包绕圆柱1的上半部分，沿Blumensaat’s线走行至髁间窝顶点处为止并向外侧髁包裹，形成定位器的骨贴合部；导入STL手柄与骨贴合部经布尔算法-联合生成联合体1；联合体1与圆柱1经布尔算法-消减形成定位孔，从而得到前交叉韧带股骨定位器模型；将前交叉韧带股骨定位器模型导出为STL文件；其中，所述的前交叉韧带股骨定位器模型包括骨贴合部、STL手柄和定位孔；
步骤（4），将步骤（3）得到的前交叉韧带股骨定位器模型的STL文件导入Cura分层软件，调整角度、支撑和打印参数后，导出为G-code格式，之后使用3D打印机打印，去支撑结构后，得到个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器。
2.根据权利要求1所述的3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器的制备方法，其特征在于，MRI为3.0T核磁共振，矢状位扫描；扫描参数：重复时间1300ms，回波时间32ms；层厚0.5 mm；层间距0.47mm；回波链14；激励2次；矩阵280/299；视域140。
3.根据权利要求1所述的3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器的制备方法，其特征在于，CT为64排CT，冠状位扫描，层厚0.1mm。
4.根据权利要求1所述的3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中将CT和MRI图像数据分别导入Mimics17.0交互式医学图像处理软件，用CT数据重建骨骼，用MRI数据重建前交叉韧带和软骨，之后将重建后的骨骼与前交叉韧带和软骨匹配。
5.根据权利要求1所述的3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，对复制的患侧膝关节股骨外侧髁模型移动时，向股骨远端背侧内侧各移动2mm；切割时，沿Blumensaat’s线走行宽度为5mm，至髁间窝顶点处为止并向外侧髁包裹3mm。
6.根据权利要求1所述的3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器的制备方法，步骤（4）中，打印参数为壁厚1.2mm，填充15%。
7.根据权利要求1所述的3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器的制备方法，其特征在于，个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器经低温等离子消毒后备术中用。
8.权利要求1-7任意一项所述的3D打印个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器的制备方法制得的个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器。
9.根据权利要求8所述的个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器，其特征在于，手柄为弧形的圆柱状，长20cm；手柄与骨贴合部连接处为偏向股骨外侧髁方向的曲度设计，折角为30度。
10.根据权利要求8所述的个性化前交叉韧带重建股骨隧道定位器，其特征在于，所述的定位孔为3mm直径半圆形槽样结构。
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