CN109247976B - 一种基于三维建模的手术导板制作装置及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维建模的手术导板制作装置，该装置包括控制计算机、微处理器及3D打印机，所述控制计算机上安装有三维建模系统和手术操作模拟系统，所述三维建模系统基于CT图像建立包含器官、病灶、血管、硬组织及皮肤的人体器官组织模型，所述手术操作模拟系统用于选取判断定位点并记录定位点相关数据，所述微处理器用于接收人体器官组织模型的皮肤部分数据以及定位点相关数据，并生成手术导板模型，所述3D打用于对所述手术导板模型进行打印。本发明基于三维建模和3D打印技术，提供出手术导板作为穿刺手术辅助器材，能够准确定位穿刺位置和穿刺角度，并预先提供给医生穿刺深度信息，确保了穿刺的准确度。

Description

一种基于三维建模的手术导板制作装置及制作方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种基于三维建模的手术导板制作装置及制作方法。

背景技术

随着医疗技术的发展，微创诊断和治疗在临床中得到越来越广泛的应用，如经皮肺穿刺活检术、肺小结节术前穿刺定位、肿瘤介入治疗(消融、粒子植入)等。目前，CT引导下的穿刺活检是进行穿刺引导时应用最广泛的术中实时成像手段，在实际穿刺过程中，为了保证准确的刺中目标，通常要对人体进行多次CT扫描，患者和医务人员反复接受辐射。另外，穿刺的进针点、进针角度、进针深度都是医生根据CT扫描图像结合个人经验来规划的，穿刺效果过于依赖于医生经验，穿刺准确度难以得到保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维建模的手术导板制作装置及制作方法，其基于三维建模和3D打印技术，提供出手术导板作为穿刺手术辅助器材，能够准确定位穿刺位置和穿刺角度，并预先提供给医生穿刺深度信息，确保了穿刺的准确度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于三维建模的手术导板制作装置，用于制作手术导板，所述手术导板包括导板本体及位于导板本体上的定位柱、定位识别孔，该装置包括控制计算机、微处理器及3D打印机，其中：

所述控制计算机上安装有三维建模系统和手术操作模拟系统，所述三维建模系统基于CT图像建立包含器官、病灶、血管、硬组织及皮肤的人体器官组织模型，所述人体器官组织模型中的器官、病灶、血管、硬组织及皮肤可分别单独进行颜色设定和透明化处理，所述手术操作模拟系统包括可视化单元、定位点选取判断单元、导板生成单元及测量单元，所述可视化单元用于导入所述人体器官组织模型并进行三维可视化显示，所述定位点选取判断单元用于对人工选定的定位点到病灶直接的手术操作路径进行可视化显示，判断手术操作路径是否避开血管和硬组织，并记录定位点位置数据以及手术操作路径与皮肤表面之间的定位倾斜角数据，所述测量单元用于测量并记录定位点到病灶部分的手术操作距离数据；

所述微处理器用于接收人体器官组织的病灶、动脉血管、静脉血管、皮肤骨骼等模型数据；处理计算定位点位置数据、定位识别孔位置数据、定位倾斜角数据及手术操作距离数据；并基于上述数据生成符合3D打印文件格式的手术导板模型；

所述3D打印机连接所述微处理器，用于直接控制3D打印机对所述手术导板模型进行3D打印。

优选地，所述三维建模系统包括CT图像导入单元、CT图像分割单元及建模单元，所述CT图像导入单元用于导入CT图像，所述CT图像分割单元用于在CT图像上分割出器官、病灶、血管、硬组织及皮肤，所述三维建模单元用于建立器官、病灶、血管、硬组织及皮肤的三维模型，并融合成所述人体器官组织模型。

优选地，所述可视化单元还用于对所述人体器官组织模型中的器官、病灶、血管、硬组织及皮肤部分进行颜色设定和透明化处理。并应用于CT数据以及器官组织模型的配准，结合临床让模型数据更加具有实际应用意义。

一种基于三维建模的手术导板制作方法，基于上述的手术导板制作装置实现，其包括以下步骤：

S1、三维建模系统基于CT图像建立包含器官、病灶、血管、硬组织及皮肤的人体器官组织模型；

S2、手术操作模拟系统导入所述人体器官组织模型并进行三维可视化显示，所述三维可视化显示包括旋转、平移、缩放、颜色设置及透明化设置；

S3、在人体器官组织模型的皮肤表面选取定位点，对定位点到病灶直接的手术操作路径进行可视化显示，判断手术操作路径是否避开血管和硬组织，若是则执行步骤S5，若否则重新选取定位点，记录定位点位置数据以及手术操作路径与皮肤表面之间的定位倾斜角数据；

S4、记录定位点位置数据、手术操作路径与皮肤表面之间的定位倾斜角数据、定位点到病灶部分的手术操作距离数据；

S5、控制计算机将人体器官组织模型的皮肤部分数据、定位识别孔位置数据、定位点位置数据、定位倾斜角数据及手术操作距离数据发送给微处理器，微处理器基于上述数据生成符合3D打印文件格式的手术导板模型；

S6、3D打印机对所述手术导板模型进行打印。

优选地，步骤S1具体包括以下分步骤：

S11、利用CT图像导入单元导入CT图像；

S12、利用CT图像分割单元在CT图像上分割出器官、病灶、血管、硬组织及皮肤；

S13、利用建模单元建立器官、病灶、血管、硬组织及皮肤的三维模型，并融合成所述人体器官组织模型。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

本发明基于三维建模和3D打印技术，提供出手术导板作为穿刺手术辅助器材，能够准确定位穿刺位置和穿刺角度，并预先提供给医生穿刺深度信息，确保了穿刺的准确度，另外无需对人体进行反复多次CT扫描，减少了患者和医务人员所接受的辐射。

附图说明

图1为本发明手术导板制作装置的结构示意图；

图2为本发明手术导板制作方法的流程示意图；

图3为本发明所采用的3D打印机示意图，其中横向为X轴方向，垂直于纸面为Y轴方向，竖直方向为Z轴方向；

图4为图3A-A处剖视图；

图5为装载有打印结束的导板的存储仓。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参考图1所示，本发明公开了一种基于三维建模的手术导板制作装置，用于制作手术导板，手术导板包括导板本体及位于导板本体上的定位柱、定位识别孔，该装置包括控制计算机1、微处理器2及3D打印机3，其中：

控制计算机1上安装有三维建模系统11和手术操作模拟系统12，其中：

三维建模系统11基于CT图像建立包含器官、病灶、血管、硬组织及皮肤的人体器官组织模型，人体器官组织模型中的器官、病灶、血管、硬组织及皮肤可分别单独进行颜色设定和透明化处理。三维建模系统11包括CT图像导入单元、CT图像分割单元及建模单元，CT图像导入单元用于导入CT图像，CT图像分割单元用于在CT图像上分割出器官、病灶、血管、硬组织及皮肤，三维建模单元用于建立器官、病灶、血管、硬组织及皮肤的三维模型，并融合成人体器官组织模型。

手术操作模拟系统12基于人体器官组织模型生成手术导板模型，其包括可视化单元、定位点选取判断单元、导板生成单元及测量单元；可视化单元用于导入人体器官组织模型并进行三维可视化显示，其还用于对人体器官组织模型中的器官、病灶、血管、硬组织及皮肤部分进行颜色设定和透明化处理；定位点选取判断单元用于对人工选定的定位点到病灶直接的手术操作路径进行可视化显示，判断手术操作路径是否避开血管和硬组织，并记录定位点位置数据以及手术操作路径与皮肤表面之间的定位倾斜角数据；测量单元用于测量并记录定位点到病灶部分的手术操作距离数据。

微处理器2用于接收人体器官组织模型的皮肤部分数据、定位识别孔位置数据、定位点位置数据、定位倾斜角数据及手术操作距离数据，并基于上述数据生成符合3D打印文件格式的手术导板模型；

3D打印机3连接微处理器2，用于对手术导板模型进行打印。

采用本发明制作出的手术导板，作为辅助医疗器材，除了用于肺部穿刺、脊柱穿刺、腰间盘穿刺、颅内穿刺等临床场景，还可用于活检、体外干预等临床场景。

实施例二

参考图2所示，本发明公开了一种基于三维建模的手术导板制作方法，基于实施例一的手术导板制作装置实现，其包括以下步骤：

S1、三维建模系统11基于CT图像建立包含器官、病灶、血管、硬组织及皮肤的人体器官组织模型。该步骤通过以下分步骤实现：

S11、利用CT图像导入单元导入CT图像；

S12、利用CT图像分割单元在CT图像上分割出器官、病灶、血管、硬组织及皮肤；

S13、利用建模单元建立器官、病灶、血管、硬组织及皮肤的三维模型，并融合成人体器官组织模型。

S2、手术操作模拟系统12导入人体器官组织模型并进行三维可视化显示，三维可视化显示包括旋转、平移、缩放、颜色设置及透明化设置；

S3、在人体器官组织模型的皮肤表面选取定位点，对定位点到病灶直接的手术操作路径进行可视化显示，判断手术操作路径是否避开血管和硬组织，若是则执行步骤S5，若否则重新选取定位点，记录定位点位置数据以及手术操作路径与皮肤表面之间的定位倾斜角数据；

S4、记录定位点位置数据、手术操作路径与皮肤表面之间的定位倾斜角数据、定位点到病灶部分的手术操作距离数据；

S5、控制计算机1将人体器官组织模型的皮肤部分数据、定位识别孔位置数据、定位点位置数据、定位倾斜角数据及手术操作距离数据发送给微处理器2，微处理器2基于上述数据生成符合3D打印文件格式的手术导板模型；

S6、3D打印机3对手术导板模型进行打印。

实施例三

由于手术导板直接作用于患者的手术部位，因此，要求打印完成后的手术导板具备无菌性，以防止引起感染。然后，由于3D打印的速度较慢，通常需要在术前几个小时甚至几天即安排打印工作，因此，其开始打印时间与其被使用时间之间存在较大的间隔，采用传统的3D打印机难以达到无菌性的要求，同时，其打印完成后如何存放是个问题，若一直置放于3D打印机中，则使得3D打印机的利用率低下。因此，本实施例中优选地对3D打印机进行改造。

请参考图3、图4及图5所示，一种3D打印机包括打印仓1、存储仓2、托盘3、清洁装置4及推杆5。

其中，打印机仓1包括XY轴进给装置11、与XY轴进给装置11相连的打印头12、Z轴进给装置13及与Z轴进给装置相连的打印台14。打印台14上设有第一导轨141、调节座142及第一蝶形螺栓143。本实施例中，第一导轨141为固定在打印台14上的两条平行布置的直线导轨。调节座142固定在打印台14上，第一蝶形螺栓143旋接在调节座142上，第一蝶形螺栓143的前端连接有一圆锥头。旋转第一蝶形螺栓143，则所述圆锥头即相对于调节座142沿Y轴前进或后退。

托盘3的下方设有滑块31，滑块31对应为两个，滑块31滑动安装在第一导轨141上。位于操作侧的滑块31上设有限位块32，限位块32上加工有一对应于所述圆锥头的锥孔，如此，旋转第一蝶形螺栓143，即可顶紧或松开限位块32。

存储仓2的左侧面通过螺栓与打印仓1的右侧面相连，存储仓2与打印仓1的接合面通过O型圈21密封。为兼顾强度与便于观察，存储仓2的底面及左侧面由铝合金制成，而存储仓2的顶面、前后侧面及右侧面由亚克力板或玻璃制成。

存储仓2的左侧面的上半段内凹以形成一容置空间，下半段挖空以形成供托盘3由打印仓1进入存储仓2的通道。存储仓2中设有固定在其底面上的第二导轨22，第二导轨22与第一导轨141共线，为便于滑块31顺利由第一导轨141过渡到第二导轨22，第二导轨22的前端加工成前小后大。为了使托盘3可以从打印仓1进入存储仓2，打印仓1的右端设有一推杆15，当打印台Z轴归位时，推杆15的后端正对着托盘3，如此，推动推杆15，即可将托盘3由打印仓1推入存储仓2中。为便于推杆15移动，推杆15的前端设有支架，支架底部设有滚轮。为防止工作过程中，推杆15被误操作，从而破坏正在打印的导板或损坏打印机，打印仓的左壁上设有失电制动器151，推杆15由失电制动器的抱闸中穿过，失电制动器151的通电开关152设置在打印仓的底部且位于Z轴驱动装置的下方。如此，工作时，失电制动器151处于失电状态，抱紧推杆15，使其不能动作，只有当打印结束时，Z轴驱动装置归位后触发其通电开关，失电制动器151得电，松开推杆15，推杆15方可被推动。

为了对可能存在的细菌进行灭杀，打印仓1的顶面设有第一紫外消毒灯161以对打印仓1进行杀菌，打印仓1的右侧面设有第二紫外消毒灯162，其投射角度指向存储仓2，以对存储仓2进行灭菌。第二紫外消毒灯162位于两根第一导轨141之间，且不得高出第一导轨141表面，以避免阻碍托盘3的移动。为消除打印仓1高温打印时产生的有毒气体，打印仓的左侧设有光触媒板17，以对产生的废气进行净化，光触媒板17的后端设有固定在打印仓1左侧的抽风机18。

由于打印结束后，已经装有打印完成的手术导板的存储仓2需要与打印仓1分离，从而使打印仓1可以匹配新的存储仓2及托盘3进行新的工作，因此，如何保持存储仓的封闭性以使其保持无菌状态是个问题。在所述容置空间处的壳体下半端设置朝左侧延伸的沟槽23，沟槽中设有第一密封条，所述容置空间的前侧面及后侧面上加工有滑槽24，滑槽24上安装有滑门25，滑门25的上端加工成与沟槽23呈配合搭扣的反向沟槽，滑槽24的右侧设有用于密封滑门25边缘的第二密封条。

为便于滑门25的上拉，滑门25的上端右侧设有一把手块251，为使滑门25被限定在所述容置空间中，把手块251上加工有一螺纹孔，存储仓2的壳体上方加工有一对应于该螺纹孔的通孔，第二蝶形螺栓26穿过该通孔后旋接在该螺纹孔上。为防止第二蝶形螺栓26丢失，第二蝶形螺栓26上还设有用于限定第二蝶形螺栓26的Z轴位置的卡簧261。如此，在开始打印工作之前，抓住把手块251上拉滑门25，其后旋紧第二蝶形螺栓26，即将滑门25固定在所述容置空间中。打印完成后，松开第二蝶形螺栓26，滑门25即在其自身重力作用下沿滑槽24下滑，第二密封条此时对滑门25施加阻力，减缓其下落速度。

为实现滑门25的闭合，滑门25的下端嵌有第一磁铁条252，对应地，存储仓2的内侧底面，第一导轨141及第二导轨22的拼接处存在间隙，以供滑门25落下，间隙位置处嵌有对应于第一磁铁条252的第二磁铁条253，如此，当滑门25落下时，由于第一磁铁条252与第二磁铁条253的吸合，滑门25被良好地固定。为实现缓冲及滑门25底部的密封，第一磁铁条252的底部设有第三密封条。由于第一密封条与第三密封条主要靠重力及磁力施加力使得被密封部位与密封条保持接触，此处，要求第一密封条与第三密封条具备较好的变形能力，以密封棉或低刚性的橡胶条为佳。

本实施例中，第一导轨141伸入存储仓2中，不止是为了满足将托盘3送入存储仓2的需求，更是为了实现存储仓2在于打印仓1连接时的定位，存储仓2的内侧底面设有对应于第一导轨141的下端面的定位槽(图中被第一导轨141所遮挡，未示出)。图3、图4及图5中，黑色填充区域为密封条。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于三维建模的手术导板制作装置，用于制作手术导板，所述手术导板包括导板本体及位于导板本体上的定位柱、定位识别孔，其特征在于，该装置包括控制计算机、微处理器及3D打印机，其中：

所述控制计算机上安装有三维建模系统和手术操作模拟系统，所述三维建模系统基于CT图像建立包含器官、病灶、血管、硬组织及皮肤的人体器官组织模型，所述人体器官组织模型中的器官、病灶、血管、硬组织及皮肤可分别单独进行颜色设定和透明化处理，所述手术操作模拟系统包括可视化单元、定位点选取判断单元、导板生成单元及测量单元，所述可视化单元用于导入所述人体器官组织模型并进行三维可视化显示，所述定位点选取判断单元用于对人工选定的定位点到病灶直接的手术操作路径进行可视化显示，判断手术操作路径是否避开血管和硬组织，并记录定位点位置数据以及手术操作路径与皮肤表面之间的定位倾斜角数据，所述测量单元用于测量并记录定位点到病灶部分的手术操作距离数据；

所述微处理器用于接收人体器官组织的病灶、动脉血管、静脉血管、皮肤骨骼等模型数据；处理计算定位点位置数据、定位识别孔位置数据、定位倾斜角数据及手术操作距离数据；并基于上述数据生成符合3D打印文件格式的手术导板模型；

所述3D打印机连接所述微处理器，用于直接控制3D打印机对所述手术导板模型进行3D打印，所述3D打印机包括打印仓、托盘、存储仓、推杆及清洁装置；

所述打印仓包括XY轴进给装置、与XY轴进给装置相连的打印头、Z轴进给装置及与Z轴进给装置相连的打印台，所述打印台上设有第一导轨、调节座及第一蝶形螺栓，所述第一导轨固定在打印台上，所述调节座固定在打印台上，所述第一蝶形螺栓旋接在调节座上，第一蝶形螺栓的前端连接有一圆锥头；

所述托盘滑动安装在打印台上，所述托盘的下方设有滑块，所述滑块滑动安装在第一导轨上，位于操作侧的所述滑块上设有限位块，所述限位块上加工有一对应于所述圆锥头的锥孔；

所述存储仓密封地连接于打印仓的侧面，所述存储仓的上半段内凹以形成一容置空间，下半段挖空以形成供所述托盘由打印仓进入存储仓的通道，在所述容置空间处的壳体下半端设置朝左侧延伸的沟槽，所述沟槽中设有第一密封条，所述容置空间的前侧面及后侧面上加工有滑槽，所述滑槽上安装有滑门，所述滑门的上端加工成与沟槽呈配合搭扣的反向沟槽，所述滑槽的右侧设有用于密封滑门边缘的第二密封条，所述存储仓中设有固定在其底面上的第二导轨，所述第二导轨与第一导轨共线，所述滑块可由第一导轨过渡到第二导轨；

所述打印仓的右端设有一推杆，所述推杆用于将托盘由打印仓推入存储仓中，所述打印仓的左壁上设有失电制动器，所述推杆由失电制动器的抱闸中穿过，所述失电制动器的通电开关设置在打印仓的底部且位于Z轴驱动装置的下方；

所述清洁装置包括第一紫外消毒灯、第二紫外消毒灯、光触媒板及抽风机，所述打印仓的顶面设有第一紫外消毒，所述打印仓的右侧面设有第二紫外消毒灯，所述第二紫外消毒灯投射角度指向存储仓，所述打印仓的左侧设有光触媒板，所述光触媒板的后端设有固定在打印仓左侧的抽风机。

2.如权利要求1的一种基于三维建模的手术导板制作装置，其特征在于：所述三维建模系统包括CT图像导入单元、CT图像分割单元及建模单元，所述CT图像导入单元用于导入CT图像，所述CT图像分割单元用于在CT图像上分割出器官、病灶、血管、硬组织及皮肤，所述三维建模单元用于建立器官、病灶、血管、硬组织及皮肤的三维模型，并融合成所述人体器官组织模型。

3.如权利要求1或2的一种基于三维建模的手术导板制作装置，其特征在于：所述可视化单元还用于对所述人体器官组织模型中的器官、病灶、血管、硬组织及皮肤部分进行颜色设定和透明化处理。

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