CN110390148B - 一种头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法及手术模板 - Google Patents

Abstract

一种头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法，包括以下步骤：1.基于标准模型头颈部软组织表面曲率分布的可展性分析和曲面分类；2.具体病例病变区域软组织分析及缺损区域软组织切除模板、皮瓣获取模板的设计与制备。本发明提出一种头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法及手术模板，能在手术前基于患者的CT数据构建供区软组织三维模型和缺损部位三维模型，并根据缺损部位的实际形状需求，精确设计移植皮瓣的形状和大小，并通过设计和制作手术模板来指导医生精确完成皮瓣获取、塑形及移植等手术操作，将能够有效解决头颈部肿瘤切除后的软组织缺损精确重建问题。

Description

一种头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法及手术模板

技术领域

本发明涉及人体头颈部软组织缺损重建领域，尤其是涉及一种基于曲面特征分类处理及展开的头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法及手术模板。

背景技术

头颈部是人体肿瘤高发区域，临床上一般会采取手术为主的综合性治疗。但由于头颈肿瘤发病部位解剖结构复杂且功能特殊，手术切除肿瘤后会产生不同程度的缺损，严重影响患者的外貌和生理功能，包括吞咽、咀嚼、呼吸和发声功能等，给患者带来极大的心理和生理上的障碍。针对大面积的软组织缺损，一般采用自体皮瓣移植，实现软组织的重建修复，而移植皮瓣的形状和大小将决定手术修复的效果。

目前软组织缺损修复的临床手术中，移植皮瓣的获取方案主要依赖于外科医生的临床经验和主观判断，不能依据头颈部软组织缺损情况来精准地获得相应大小的皮瓣。这种传统的皮瓣获取方式会导致皮瓣供区不必要的缺损与损伤，尤其是在头颈部表面比较复杂的区域如口角，由于曲率变化较大，而获取部位与重建部位的三维几何形状缺乏直观的对比，在手术中获取皮瓣时可能会导致更大的误差，使得患者术后的容貌和部分功能恢复效果较差。

目前在医学领域已经广泛应用的数字化技术在移植皮瓣的设计和获取方面有一些初步应用，即通过基于CT的皮瓣组织建模和形状设计来指导移植皮瓣的临床获取，但目前这些技术主要应用在穿支血管的定位上，虽然也有一些试图解决尽量减少皮瓣供区的缺损与损伤这个问题，然而始终无法达到皮瓣受区与供区的精确一致性。

发明内容

为了解决目前临床上头颈部肿瘤切除后用皮瓣移植修复软组织缺损时对医生经验的依赖，特别是获取的皮瓣尺寸不精准造成皮瓣供区不必要的损伤和不理想的重建修复效果，本发明提出一种基于曲面特征分类处理及展开的头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法及手术模板，能在手术前基于患者的CT数据构建供区软组织三维模型和缺损部位三维模型，并根据缺损部位的实际形状需求，精确设计移植皮瓣的形状和大小，并通过设计和制作手术模板来指导医生精确完成皮瓣获取、塑形及移植等手术操作，将能够有效解决头颈部肿瘤切除后的软组织缺损精确重建问题，提高重建修复的精度、质量和效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于曲面特征分类处理及展开的头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法，包括以下步骤：

1.基于标准模型头颈部软组织表面曲率分布的可展性分析和曲面分类

1.1)标准头颈部CT数据的获取：根据国家标准选取一个头颈部正常的相对中等的人作为一个标准模型，进行头颈部CT扫描，获得标准头颈部CT数据；

1.2)头颈部的三维模型重建：将标准头颈部CT数据导入医学影像软件中进行阈值划分，重建得到头颈部的三维模型，并在三维图像处理软件中提取头颈部三维模型表面，为后续的曲面曲率分析做准备；

1.3)头颈部三维曲面曲率分析和区域划分：

1.3.1)对步骤1.2)中提取的头颈部三维模型表面曲面进行高斯曲率分析，参考软组织的可伸缩性，把头颈部三维曲面中可以直接展开成二维平面的曲面区域设为Ⅰ区；

1.3.2)对剩下的三维曲面进行主曲率分析，并参考皮瓣的可伸缩性将曲线变化率小的曲面区域划分为Ⅱ区；

1.3.3)将步骤1.3.2)中剩余的必须要分割后才能展开成近似二维面的区域定为Ⅲ区；

1.4)皮瓣移植缝合顺序确定及标记：在利用皮瓣修复软组织缺损时，原软组织缺损表面的椭圆面部分处建议先缝合，双曲面处后缝合；对要修复的软组织缺损表面曲面进行高斯曲率分析，并根据分析结果分别在椭圆点和双曲点进行形状符号标记；保证3D打印的皮瓣获取模板也会有符号标记，用于指导医生在手术时缝合皮瓣的先后顺序；

2.具体病例病变区域软组织分析及缺损区域软组织切除模板、皮瓣获取模板的设计与制备

2.1)病变区域软组织分析：将患者头颈部CT数据导入医学影像软件中，重建肿瘤三维模型，根据医生意见设定安全切除距离，根据设定范围重建需要切除的软组织三维模型，其中暴露的皮肤就是需要切除并重建修复的软组织表面；

2.2)缺损区域软组织切除模板设计：在需要切除的软组织三维模型上，在边界区域正常组织表面上，进行曲面加厚生成缺损区域软组织切除模板，该切除模板同时也是皮瓣塑形缝合模板；

2.3)缺损区域软组织切除后的修复曲面设计与处理：在三维图像处理软件中，利用基于标准模型的曲面变形、基于肿瘤表面的曲面变形、对称镜像以及曲面补孔技术，设计出缺损修复曲面，即构建出需要重建的软组织皮肤表面三维形态曲面，根据步骤1.3)中的分类标准对该曲面进行分类，并根据Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区曲面处理方法对曲面进行分类处理获得近似二维的缺损区域所需移植的软组织修复曲面展开模型；

2.4)基于缺损区域所需移植的软组织修复曲面展开模型，通过表面曲面加厚生成皮瓣获取模板的三维实体模型，该模板上带有形状符号标记；

2.5)手术模板制备：利用3D打印技术将步骤2.2)中的缺损区域软组织切除模板，利用3D打印技术将步骤2.4)中带有形状符号标记的皮瓣获取模板制备出来，两个模板分别用于指导医生临床手术时精确切除缺损区域软组织、获取移植皮瓣以及皮瓣塑形和缝合，实现软组织缺损的精准重建。

进一步，所述步骤1.3.2)中还包括以下步骤：

在曲面上取规整化的横竖点P_ij，分别按照点的i和j方向对最大最小主曲率的方向进行修正，然后根据主曲率方向分析图，在主曲率方向改变明显处设定分割线，在分割线邻近的两个曲面之间处设定若干个垂直于分割线的曲线，将曲面展平，观察设定曲线的伸缩情况，然后再划分Ⅱ区。

一种根据基于曲面特征分类处理及展开的头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法构建的手术模板，包括缺损区域软组织切除模板和皮瓣获取模板，所述缺损区域软组织切除模板包括根据缺损区域表面设计个性化的切除板和利用鼻翼部分进行定位的定位板，所述定位板的一端与切除板连接并与切除板一体成型；

所述皮瓣获取模板包括用于获取皮瓣范围的获取板和用于标记皮瓣移植缝合顺序的两种形状符号标记，两种形状符号标记设置在获取板上，所述获取板与病变区域切除后的缺损区域所需移植的软组织修复曲面相匹配，所述两种形状符号标记分别标记要修复的软组织缺损表面曲面进行高斯曲率分析后的椭圆点和双曲点；

缺损区域软组织切除模板和皮瓣获取模板均通过3D打印进行制作。

本发明的有益效果主要表现在：经过头颈部曲面特征分析和区域划分的皮瓣设计方案，可以精准的使软组织缺损处的皮肤表面和切取的皮瓣在大小和边界上获得一致性，从而提高临床治疗的准确性和可靠性，降低了手术中因对缺损皮瓣皮肤大小判断不准确而对皮瓣供区造成过度损伤，同时提高手术效率和患者的生活质量；尤其对于精准皮瓣获取提供了一种科学的理论方法。

附图说明

图1是标准模型的头颈部三维模型表面图。

图2是标准模型头颈部曲面的高斯曲率分析图。

图3是虚线内的曲面的主曲率方向分析图。

图4是虚线内的曲面的主曲率方向修正后的分析图。

图5是基于主曲率分析的曲面分割图。

图6是曲面分区示意图。

图7是三维重建的肿瘤及邻近组织的形态位置关系图。

图8是缺损区域软组织切除模板的三维图。

图9是用于手术的皮瓣获取模板三维图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图9，一种基于曲面特征分类处理及展开的头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法，包括以下步骤：

1.基于标准模型头颈部软组织表面曲率分布的可展性分析和曲面分类

1.1)标准头颈部CT数据的获取：根据国家标准选取一个头颈部正常的相对中等的人作为一个标准模型，进行头颈部CT扫描，获得标准头颈部CT数据。

1.2)头颈部的三维模型重建：将标准头颈部CT数据导入医学影像软件如Mimics中进行阈值划分，重建得到头颈部的三维模型，并在Geomagic软件中提取头颈部三维模型表面，为后续的曲面曲率分析做准备。

如图1所示，为选取的头颈部相对中等人的CT数据重建的头颈部三维模型表面。

1.3)头颈部三维曲面曲率分析和区域划分：

1.3.1)对步骤1.2)中提取的头颈部三维模型表面曲面进行高斯曲率分析，参考软组织的可伸缩性，把头颈部三维曲面可以直接展开成二维平面的曲面区域设为Ⅰ区；

如图2所示是标准头颈部曲面的高斯曲率分析图，实线外面的区域，即高斯曲率相对较低，在医学上认定可直接展开的曲面为Ⅰ区。

1.3.2)对剩下的三维曲面进行主曲率分析，在曲面上取规整化的横竖点P_ij(点分成i行、j列)，分别按照点的i和j方向对最大最小主曲率的方向进行修正，然后根据主曲率方向分析图在主曲率方向改变明显处设定分割线，在分割线邻近的两个曲面之间处设定若干个垂直于分割线的曲线，将曲面展平，观察设定曲线的伸缩情况，参考皮瓣的可伸缩性将曲线变化率小的曲面区域划分为Ⅱ区；

1.3.3)将步骤1.3.2)中剩余的必须要分割后才能展开成近似二维面的区域定为Ⅲ区。

如图3所示，为虚线内的曲面的主曲率方向分析图。如图4所示，为虚线内的曲面的主曲率方向修正后的分析图。如图5所示，对主曲率方向改变较大且方向大致相同的点连成线，形成曲面的分割线。如图6所示虚线外曲面为Ⅱ区，虚线内为Ⅲ区。

1.4)皮瓣移植缝合顺序确定及标记：曲面的抛物面处高斯曲率较高，展开成二维形态后面积扩大，但手术皮瓣移植缝合时皮下软组织会挤压；双曲面处高斯曲率较低，展开成二维形态后会导致部分面重叠，而皮瓣修复缝合时皮下软组织会扩开，所以在利用皮瓣修复软组织缺损时，原软组织缺损表面的椭圆面部分处建议先缝合，双曲面处后缝合；对要修复的软组织缺损表面曲面进行高斯曲率分析，并根据分析结果分别在椭圆点和双曲点用▲标记和■标记；带标记的三维曲面模型展成二维平面后，标记也将显示在展平面上，这样将保证3D打印的皮瓣获取模板也会有符号标记，用于指导医生在手术时缝合皮瓣的先后顺序。

2.具体病例病变区域软组织分析及缺损区域软组织切除模板、皮瓣获取模板的设计与制备

2.1)病变区域软组织分析：将患者头颈部CT数据导入Mimics软件中，重建肿瘤三维模型，根据医生意见设定安全切除距离如15mm，根据设定范围重建需要切除的软组织三维模型，其中暴露的皮肤就是需要切除并重建修复的软组织表面。

2.2)缺损区域软组织切除模板设计：在需要切除的软组织三维模型上，在边界区域正常组织表面上，进行曲面加厚生成缺损区域软组织切除模板，该切除模板同时也是皮瓣塑形缝合模板。

2.3)缺损区域软组织切除后的修复曲面设计与处理：在Geomagic软件中，利用基于标准模型的曲面变形、基于肿瘤表面的曲面变形、对称镜像以及曲面补孔等技术，设计出缺损区域修复曲面，即构建出需要重建的软组织皮肤表面三维形态曲面，根据步骤1.3)中的分类标准对该曲面进行分类，并根据Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区曲面处理方法对曲面进行分类处理获得近似二维的缺损区域所需移植的软组织修复曲面展开模型。

如图7所示，为三维重建的肿瘤及邻近组织的形态位置关系图，其中1代表的是要切除掉的皮肤表面，即软组织缺损区域表面；2代表的是经过镜像处理的皮肤表面，即需要重建的软组织皮肤表面。

2.4)基于缺损区域所需移植的软组织修复曲面展开模型，通过表面曲面加厚生成皮瓣获取模板的三维实体模型，该模板上带有形状符号标记。

如图8所示，为软组织组织缺损曲面加厚生成的缺损区域软组织切除模板的三维形态；如图9所示，为提取的软组织组织缺损曲面经处理展开后加厚的皮瓣获取模板。

2.5)手术模板制备：利用3D打印技术将步骤2.2)中的缺损区域软组织切除模板，同时也是塑形缝合模板；利用3D打印技术将步骤2.4)中带有形状符号标记的皮瓣获取模板制备出来，两个模板分别用于指导医生临床手术时精确切除缺损区域软组织、获取移植皮瓣以及皮瓣塑形和缝合，实现软组织缺损的精准重建。

按照本方法设计制作的皮瓣获取模板，经过对头颈部曲面的曲率理论分析、曲面分区获得理想皮瓣设计方案，通过皮瓣获取模板转移到临床患者肿瘤切除后的软组织缺损处。

所述缺损区域软组织切除模板包含两部分：一是根据缺损区域表面设计个性化的切除板3；二是在此基础上，利用鼻翼部分进行定位的定位板4。所述切除板和定位板一体成型，即在设计软件中将二者连接，并通过3D打印制作出来。

所述皮瓣获取模板包含两部分：一是修复曲面展开后设计个性化的用于获取皮瓣范围的获取板；二是在修复曲面上根据高斯曲率分析在修复曲面上设计并裁剪出形状符号标记，并跟着修复曲面一起展开。

3D打印的手术用的模板材料为医用3D打印材料，如医用光敏树脂。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法，其特征在于：所述设计方法包括以下步骤：

1.基于标准模型头颈部软组织表面曲率分布的可展性分析和曲面分类

1.1)标准头颈部CT数据的获取：根据国家标准选取一个头颈部正常的相对中等的人作为一个标准模型，进行头颈部CT扫描，获得标准头颈部CT数据；

1.2)头颈部的三维模型重建：将标准头颈部CT数据导入医学影像软件中进行阈值划分，重建得到头颈部的三维模型，并在三维图像处理软件中提取头颈部三维模型表面，为后续的曲面曲率分析做准备；

1.3)头颈部三维曲面曲率分析和区域划分：

1.3.1)对步骤1.2)中提取的头颈部三维模型表面曲面进行高斯曲率分析，参考软组织的可伸缩性，把头颈部三维曲面中直接展开成二维平面的曲面区域设为Ⅰ区；

1.3.2)对剩下的三维曲面进行主曲率分析，并参考皮瓣的可伸缩性将曲线变化率小于预设值的曲面区域划分为Ⅱ区；

1.3.3)将步骤1.3.2)中剩余的必须要分割后才能展开成近似二维面的区域定为Ⅲ区；

1.4)皮瓣移植缝合顺序确定及标记：在利用皮瓣修复软组织缺损时，原软组织缺损表面的椭圆面部分处先缝合，双曲面处后缝合；对要修复的软组织缺损表面曲面进行高斯曲率分析，并根据分析结果分别在椭圆点和双曲点进行形状符号标记；保证3D打印的皮瓣获取模板也会有符号标记，用于指导医生在手术时缝合皮瓣的先后顺序；

2.具体病例病变区域软组织分析及缺损区域软组织切除模板、皮瓣获取模板的设计与制备

2.1)病变区域软组织分析：将患者头颈部CT数据导入医学影像软件中，重建肿瘤三维模型，根据医生意见设定安全切除距离，根据设定范围重建需要切除的软组织三维模型，其中暴露的皮肤就是需要切除并重建修复的软组织表面；

2.2)缺损区域软组织切除模板设计：在需要切除的软组织三维模型上，在边界区域正常组织表面上，进行曲面加厚生成缺损区域软组织切除模板，该切除模板同时也是皮瓣塑形缝合模板；

2.3)缺损区域软组织切除后的修复曲面设计与处理：在三维图像处理软件中，利用基于标准模型的曲面变形、基于肿瘤表面的曲面变形、对称镜像以及曲面补孔技术，设计出缺损修复曲面，即构建出需要重建的软组织皮肤表面三维形态曲面，根据步骤1.3)中的分类标准对该曲面进行分类，并根据Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区曲面处理方法对曲面进行分类处理获得近似二维的缺损区域所需移植的软组织修复曲面展开模型；

2.4)基于缺损区域所需移植的软组织修复曲面展开模型，通过表面曲面加厚生成皮瓣获取模板的三维实体模型，该模板上带有形状符号标记；

2.5)手术模板制备：利用3D打印技术将步骤2.2)中的缺损区域软组织切除模板，利用3D打印技术将步骤2.4)中带有形状符号标记的皮瓣获取模板制备出来，两个模板分别用于指导医生临床手术时精确切除缺损区域软组织、获取移植皮瓣以及皮瓣塑形和缝合，实现软组织缺损的精准重建。

2.如权利要求1所述的一种头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法，其特征在于：所述步骤1.3.2)中还包括以下步骤：

在曲面上取规整化的横竖点P_ij，分别按照点的i和j方向对最大最小主曲率的方向进行修正，然后根据主曲率方向分析图，在主曲率方向改变明显处设定分割线，在分割线邻近的两个曲面之间处设定若干个垂直于分割线的曲线，将曲面展平，观察设定曲线的伸缩情况，然后再划分Ⅱ区。

3.一种根据权利要求1所述的头颈部软组织缺损重建手术模板设计方法构建的手术模板，其特征在于：所述手术模板包括缺损区域软组织切除模板和皮瓣获取模板，所述缺损区域软组织切除模板包括根据缺损区域表面设计个性化的切除板和利用鼻翼部分进行定位的定位板，所述定位板的一端与切除板连接并与切除板一体成型；

所述皮瓣获取模板包括用于获取皮瓣范围的获取板和用于标记皮瓣移植缝合顺序的两种形状符号标记，两种形状符号标记设置在获取板上，所述获取板与病变区域切除后的缺损区域所需移植的软组织修复曲面相匹配，所述两种形状符号标记分别标记要修复的软组织缺损表面曲面进行高斯曲率分析后的椭圆点和双曲点；

缺损区域软组织切除模板和皮瓣获取模板均通过3D打印进行制作。