CN110393572B - 一种个性化3d打印胫骨高位截骨导板的制备方法 - Google Patents

一种个性化3d打印胫骨高位截骨导板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种个性化3D打印胫骨高位截骨导板的制备方法，用于3D打印胫骨高位截骨术的截骨导板，在术前根据患者膝关节CT数据，通过计算机模拟建模及三维重建程序，1：1比例打印出出患者胫骨形态畸形形态，并通过3D打印技术术前设计截骨位置，最终通过模型材料设计出完全和患者胫骨近端贴服的截骨导向器，在手术过程中直接贴服胫骨近端并按照术前截骨方案，立即开始截骨手术操作，在保障准确性的调节下，简化手术操作步骤，缩短手术麻醉时间，确保了患者手术的安全性，具有广泛的临床推广效果。可根据不同厂家提供的胫骨近端固定钢板，个性化设计胫骨截骨的位置和方向，具有一定的多样灵活性。

Description

一种个性化3D打印胫骨高位截骨导板的制备方法
技术领域
本发明属于骨科医疗器械技术领域，涉及一种个性化3D打印胫骨高位截骨导板的制备方法，具体地说，涉及一种用于胫骨高位截骨术的个性化3D打印截骨导板的制备及其使用方法。
背景技术
膝关节退行性骨关节病常伴有膝关节内翻畸形，并产生关节内的负重生物应力改变，从而导致下肢力线不平衡，继而加速膝关节软骨磨损，骨关节的发展。目前，胫骨内侧高位截骨术是治疗由于膝关节内翻导致的早中期膝关节骨关节炎最常见的手术方式。其治疗原理是通过胫骨近端内侧截骨矫形，把膝关节发生磨损的内侧间室压力转移到相对正常的外侧间室，从而达到缓解关节疼痛症状的目的。
胫骨高位截骨的手术的核心步骤在于确定胫骨截骨的下刀位置，截骨摆锯进行截骨的深度和角度。一旦明确胫骨截骨位置后使用角度撑开器对截骨处进行撑开并达到预定的矫正角度，手术效果已经能够基本确定。而手术疗效和术中精确截骨位置和角度密切相关，因此术中对于截骨的操作要求非常精确。
通常临床医生主要凭其自身经验在患者胫骨近端内侧处通过目测调整截骨器位置，再通过透视等手段进行反复测量和调整。整个截骨定位过程操作繁琐，延长整个手术时间，增加患者术后感染风险。而且定位的准确度受手术医生人为的因素影响较大，难以保证截骨位置确定的精确性，且透视过程存在放射和辐射高的不利因素，易危害手术医生的健康。在整个截骨过程中完全根据手术医生的经验及肉眼进行定位，无法做到精确控制，并且每个患者的胫骨近端形态长度都不同，如何个性化的精准截骨是进一步要解决的问题。“为患者专门定制手术器械”是一种使用计算机去协助做手术前计划的新技术，以提供手术导引器，其作用可部分或全部取代常规器械系统。涉及以影像为基础的手术前计划，然后制作模板以契合患者骨骼结构的表面几何图形。这个模板的设计是要把手术前计划转化成手术中的表现。手术前的计算机断层扫描(CT)扫描，被输进软件系统采集其三维数据。手术计划和虚拟手术是首先在计算机上进行，然后才用在患者身上。这包括设定大小、对齐位置、切割骨头以及确定最佳的植入位置等。并采用快速成形科技将其转化成手术导引装置。手术导引装置中汇集的信息使这些装置变成专为患者定制的装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种个性化3D打印胫骨高位截骨导板的制备方法及其使用方法，是一种可以简单且较准确地校验是否达到预定下刀深度的用于胫骨高位截骨术的截骨导板的制备方法。
其具体技术方案为：
一种个性化3D打印截骨导板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、所有患者采用64排螺旋CT，层厚0.8mm 层间隔0.5mm，扫入图像保存为dicom格式。使用三维影像还原软件mimics19.0（materialise公司，比利时）对dicom格式数据进行三维还原，利用阈值技术进行初步处理，再使用填充技术对数据转换产生的间隙漏洞进行修复。得到三维数据，并以stl的格式至3matic（materialise公司，比利时）。
步骤2、利用BIHOLO（上海锋算计算机技术有限公司）对dicom软件进行第二次还原，利用与步骤1相同阈值进行初步处理，利用三维填充技术对数据转换产生的间隙进行修复，得到得到三维数据，并以stl的格式进行导出至3matic（materialise公司，比利时）。
步骤3、利用3Dmed（中国科学院自动化医学图像处理研究室）对dicom软件进行第三次还原，并对三次重建出的Stl模型进行对比，要求三次重建数据相差不大于0.8mm。再使用3matic内对stl模型进行网格标准化重建处理。使网格进行进一步细化，方便下一步处理。
步骤4、将stl模型导入rhino（Robert McNeel & Assoc公司，美国）去除骨内松质，保留骨皮质，并再次导出stl模型。将导出stl模型导入meshmixer（autodesk公司，美国）内，对截骨侧骨皮质进行反向挤出，厚度3mm，锐角处理。
步骤5、利用布尔运算得到反向挤出的骨皮质，为3D打印导板与骨骼贴附面。将上述步骤得到的贴附面与骨骼导入rhino内，旋转至正视图正位，进行测量。于腓骨测做线，下端至胫骨平台面15mm，于胫骨侧做线，下端至胫骨平台面32mm，确定截骨平面。将截骨平面进行挤出操作得到锯片痕迹。为胫骨截骨平刀，做平刀110-130°角平面且与胫骨结节最前端相距15mm以上，与胫骨结节相交为胫骨结节截骨轨迹。
步骤6、将刀口进行挤出，并进行布尔运算得到完整的切割轨迹。并制作间隔20mm的直径2.7mm定位克氏针孔。在贴合面制作3.2mm克氏针孔，作为固定克氏针孔。
步骤7：将导板进行以stl形式导出，导入perform（美国formlabs公司）中进行支撑（直径0.4mm树状支撑）添加，及打印计算（10mm填充，0.05mm层高）。使用form2光固化打印机（美国formlabs公司）进行打印，打印耗材Dental SG树脂（美国formlabs公司，1类生物相容性树脂(EN-ISO 10993-1:2009/AC:2010, USP六类）。平均打印时常为8小时。
步骤8：将打印完成后的导板进行去支撑处理，并用医用酒精清洗至无树脂残留，转移至紫外光灯下暴晒30分钟进行进一步固化，防止单体残留。
步骤9：将骨骼stl模型进行热熔堆积（FDM）打印，层厚0.15mm。平均打印时间12小时，去支撑处理。
步骤10：将步骤8得到的导板模型与步骤9得到的骨骼模型进行适配性测试，得到完整的骨骼，导板模型。其中骨骼需低温等离子消毒，导板为高温高压消毒。
本发明的个性化定制3D打印截骨导板的使用方法：包括以下步骤：针对早期骨关节患者进行胫骨高位截骨手术过程中，将膝关节置于 90°屈曲位置。从鹅足腱前缘做6-8cm朝向后上方的切口。 切口应终于胫骨内侧平台的后内侧角，进而找出胫骨上与截骨导板相对应的定位参考点，显露骨关节时，应显露股胫骨近端的骨骼结构，放置截骨导板时根据膝关节软组织情况再次评估植入假体的稳定性，与术前规划相对比，切勿清理骨赘以免影响定位精度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.3D打印的胫骨高位截骨术的截骨导板，通过在分别固定于对应胫骨上的上板本体和下板本体之间形成截骨刀槽，可以快速确定截骨位置，简化了复杂的手术操作，缩短了手术时间。同时，这种截骨位置的确定方式比传统方法如医生经验目测、术中C臂X线透视反复测量和调整，可以避免放射和辐射较高从而易对手术医生的健康造成危害，同时根据患者胫骨形态3D打印的截骨导向器和患者胫骨近端贴敷更为紧密，具有精准医疗和个性化治疗手段的重要体现，具有更广泛的临床应用价值。
2.本发明提供的用于3D打印胫骨高位截骨术的截骨导板，在术前根据患者膝关节CT数据，通过计算机模拟建模及三维重建程序，1：1比例打印出出患者胫骨形态畸形形态，并通过3D打印技术术前设计截骨位置，最终通过模型材料设计出完全和患者胫骨近端贴服的截骨导向器，在手术过程中直接贴服胫骨近端并按照术前截骨方案，立即开始截骨手术操作，在保障准确性的调节下，简化手术操作步骤，缩短手术麻醉时间，确保了患者手术的安全性，具有广泛的临床推广效果。
3. 本发明提供的胫骨高位截骨术的截骨导板是根据患者胫骨形态按照1：1比例打印，与对应患者的胫骨唯一匹配，可以进一步保证截骨位置的定位精度。
4.本发明提供的截骨导板，可根据不同厂家提供的胫骨近端固定钢板调整截骨导向器的定位针位置及截骨线距离胫骨平台的距离，个性化设计胫骨截骨的位置和方向，具有一定的多样灵活性。
附图说明
图1为本发明的实施方式中提供的截骨导板安装于胫骨上的侧位示意图；
图2为本发明的实施方式中提供的截骨导板安装于胫骨内侧的正位示意图；
其中：1-上板本体，2-下板本体，3-胫骨近端定位孔， 4.导向器克氏针孔，5.胫骨水平位截骨槽，6-胫骨远端定位孔，7-胫骨结节矢状位截骨槽 ，8-胫骨水平位截骨槽。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
一种个性化3D打印胫骨高位截骨导板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、所有患者采用64排螺旋CT，层厚0.8mm 层间隔0.5mm，扫入图像保存为dicom格式；使用三维影像还原软件mimics19.0对dicom格式数据进行三维还原，利用阈值技术进行初步处理，再使用填充技术对数据转换产生的间隙漏洞进行修复；得到三维数据，并以stl的格式至3matic；
步骤2、利用BOHOLO软件对dicom格式数据进行第二次还原，利用与步骤1相同阈值进行初步处理，利用三维填充技术对数据转换产生的间隙进行修复，得到三维数据，并以stl的格式进行导出至3matic；
步骤3、利用3Dmed对dicom格式数据进行第三次还原，并对三次重建出的Stl模型进行对比，要求三次重建数据相差不大于0.8mm；再使用3matic内对stl模型进行网格标准化重建处理；使网格进行进一步细化，方便下一步处理；
步骤4、将stl模型导入rhino去除骨内松质，保留骨皮质，并再次导出stl模型；将导出stl模型导入meshmixer内，对截骨侧骨皮质进行反向挤出，厚度3mm，锐角处理；
步骤5、利用布尔运算得到反向挤出的骨皮质，为3D打印导板与骨骼贴附面；将上述步骤得到的贴附面与骨骼导入rhino内，旋转至正视图正位，进行测量；于腓骨侧做线，下端至胫骨平台面15mm，于胫骨侧做线，下端至胫骨平台面32mm，确定截骨平面；将截骨平面进行挤出操作得到锯片痕迹；为胫骨截骨平刀，做平刀110-130°角平面且与胫骨结节最前端相距15mm以上，与胫骨结节相交为胫骨结节截骨轨迹；
步骤6、将刀口进行挤出，并进行布尔运算得到完整的切割轨迹；并制作间隔20mm的直径2.7mm定位克氏针孔；在贴合面制作直径为3.2mm克氏针孔，作为固定克氏针孔；
步骤7：将导板进行以stl形式导出，导入perform中进行支撑添加，及打印计算；使用form2光固化打印机进行打印，打印耗材Dental SG树脂，平均打印时常为8小时；
步骤8：将打印完成后的导板进行去支撑处理，并用医用酒精清洗至无树脂残留，转移至紫外光灯下暴晒30分钟进行进一步固化，防止单体残留；
步骤9：将骨骼stl模型进行热熔堆积打印，层厚0.15mm；平均打印时间12小时，去支撑处理；
步骤10：将步骤8得到的导板模型与步骤9得到的骨骼模型进行适配性测试，得到完整的骨骼，导板模型。
步骤7中，进行支撑添加采用的是直径0.4mm树状支撑。
步骤7中，打印计算采用10mm填充，0.05mm层高。
步骤10中，骨骼需低温等离子消毒，导板为高温高压消毒。
如图1所示，本实施例提供一种用于胫骨高位截骨术的截骨导板，本截骨导向器为一体式3D打印设计，图1中上板本体1和下板本体2为整体性连接；胫骨近端定位孔3为截骨导向器固定至患者胫骨后的使用直径2mm克氏针固定的位置，四个固定孔为短柱孔形态并呈四边形平行分布于上下板体；导向器克氏针孔4为胫骨高位截骨术的截骨导板初期稳定装置，为胫骨近端定位孔3的补充装置，有用于向对应的胫骨内打入校验轴的导向孔，在截骨导向器安装稳定后拔出克氏针后截骨刀槽的初始位置；胫骨水平位截骨槽5为截骨摆锯朝向胫骨方向的延伸，形成于所述上板本体1与所述下板本体2之间，用于确定截骨位置。
在本实施例中个性化3D打印截骨板于胫骨高位截骨术，所述上板本体1的内表面为与对应的胫骨贴合的上耦合面，所述下板本体2的内表面为与对应的胫骨贴合的下耦合面，这种方式完全是发挥了3D打印的个性化优势，每位患者的胫骨近端解剖结构及骨骼形态各不相同，术前根据患者膝关节三维CT扫描可得到患者胫骨近端的三维形态参数，同时利用3D打印快速成型技术设计1：1比例完全贴附患者胫骨近端的3D打印截骨板，术中这个截骨板完全和患者截骨处贴合精密，比常规器械截骨导向器的精确性明显提高。由于上耦合面和下耦合面与对应患者的胫骨唯一匹配，所以可以进一步保证第一截骨位置的定位精度。同时，这种截骨位置的确定方式比起先目测、再通过透视等手段反复测量和调整的方式，可以避免因透视过程存在的放射和辐射较高从而易对手术医生的健康造成危害；具有更广泛的应用效果。
所述截骨导向器的3D打印的具体材料形式可以有多种，可根据术前三维CT参数设计。图2中上板本体1和下板本体2为整体性连接；胫骨远端定位孔6为截骨导向器固定至患者胫骨后的使用直径2mm克氏针固定的位置，共计四个固定孔并呈四边形平行分布于上下板体；胫骨结节矢状位截骨槽7和胫骨水平位截骨槽8为"L"型连接结构，分别为截骨摆锯朝向胫骨结节矢状位和胫骨水平斜位方向的延伸。
在本实施例中，先将3D打印截骨导板与对应的患者胫骨相匹配定位，使上耦合面别与对应的患者胫骨相贴合，完成对截骨导板在胫骨上安装位置的确定；然后在上下定位孔内打入克氏针使截骨导板固定安装于对应的胫骨上，截骨导板上的截骨刀槽图2与胫骨所对应的位置即为截骨位置，使用截骨刀分别在胫骨结节矢状位截骨槽7和胫骨水平位截骨槽8进行截骨操作。这两平面的截骨操作根据术前三维CT计算的胫骨结节截骨角度进行设计“L”型截骨槽的角度和位置设计。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种个性化3D打印胫骨高位截骨导板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、所有患者采用64排螺旋CT，层厚0.8mm 层间隔0.5mm，扫入图像保存为dicom格式；使用三维影像还原软件mimics19.0对dicom格式数据进行三维还原，利用阈值技术进行初步处理，再使用填充技术对数据转换产生的间隙漏洞进行修复；得到三维数据，并以stl的格式至3matic；
步骤2、利用BOHOLO软件对dicom格式数据进行第二次还原，利用与步骤1相同阈值进行初步处理，利用三维填充技术对数据转换产生的间隙进行修复，得到三维数据，并以stl的格式进行导出至3matic；
步骤3、利用3Dmed对dicom格式数据进行第三次还原，并对三次重建出的Stl模型进行对比，要求三次重建数据相差不大于0.8mm；再使用3matic内对stl模型进行网格标准化重建处理；使网格进行进一步细化，方便下一步处理；
步骤4、将stl模型导入rhino去除骨内松质，保留骨皮质，并再次导出stl模型；将导出stl模型导入meshmixer内，对截骨侧骨皮质进行反向挤出，厚度3mm，锐角处理；
步骤5、利用布尔运算得到反向挤出的骨皮质，为3D打印导板与骨骼贴附面；将上述步骤得到的贴附面与骨骼导入rhino内，旋转至正视图正位，进行测量；于腓骨侧做线，下端至胫骨平台面15mm，于胫骨侧做线，下端至胫骨平台面32mm，确定截骨平面；将截骨平面进行挤出操作得到锯片痕迹；为胫骨截骨平刀，做平刀110-130°角平面且与胫骨结节最前端相距15mm以上，与胫骨结节相交为胫骨结节截骨轨迹；
步骤6、将刀口进行挤出，并进行布尔运算得到完整的切割轨迹；并制作间隔20mm的直径2.7mm定位克氏针孔；在贴合面制作直径为3.2mm克氏针孔，作为固定克氏针孔；
步骤7：将导板进行以stl形式导出，导入perform中进行支撑添加，及打印计算；使用form2光固化打印机进行打印，打印耗材Dental SG树脂，平均打印时常为8小时；
步骤8：将打印完成后的导板进行去支撑处理，并用医用酒精清洗至无树脂残留，转移至紫外光灯下暴晒30分钟进行进一步固化，防止单体残留；
步骤9：将骨骼stl模型进行热熔堆积打印，层厚0.15mm；平均打印时间12小时，去支撑处理；
步骤10：将步骤8得到的导板模型与步骤9得到的骨骼模型进行适配性测试，得到完整的骨骼，导板模型。
2.根据权利要求1所述的个性化3D打印胫骨高位截骨导板的制备方法，其特征在于，步骤7中，进行支撑添加采用的是直径0.4mm树状支撑。
3.根据权利要求1所述的个性化3D打印胫骨高位截骨导板的制备方法，其特征在于，步骤7中，打印计算采用10mm填充，0.05mm层高。
4.根据权利要求1所述的个性化3D打印胫骨高位截骨导板的制备方法，其特征在于，步骤10中，骨骼需低温等离子消毒，导板为高温高压消毒。
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