CN111388088B - 手术导板、三维模型及制造构建方法、计算机与存储介质 - Google Patents

手术导板、三维模型及制造构建方法、计算机与存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请手术导板的导板本体上至少设有一个骨骼贴合面，所述手术导板还包括导航示踪面，所述导航示踪面设置于所述导板本体表面上或者设置于导航示踪载体上，所述导航示踪载体设置于所述导板本体上。本申请还包括所述手术导板的三维模型的构建方法及制造方法以及相应的计算机设备和存储介质，首先获取待手术骨骼图像数据进行骨骼三维重建获得所述骨骼三维模型；再根据所述骨骼三维模型设计所述手术导板模型；采用3D打印技术打印所述手术导板。该手术导板骨骼贴合面与待手术的骨结构面完全契合，使手术导板以及所带有的导航示踪面均可以稳定的固定于复杂的骨结构，并将导航示踪器与3D打印手术导板合二为一，满足高效、精准、个性化的治疗需求。

Description

手术导板、三维模型及制造构建方法、计算机与存储介质
【技术领域】
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种可用于骨科手术导航系统或骨科手术机器人系统中导航示踪器的3D打印导板及其制造方法。
【背景技术】
手术导航技术，通常需要在手术前或手术中通过透视获取患者影像数据，与手术床上病人的解剖结构准确对应，这个过程称为配准，并且在手术中实时跟踪患者和手术器械的图像从而实现术中图像引导的技术，使外科手术更快速省时、更精确安全。骨科机器人系统即为骨科手术中使用导航技术进行手术治疗的自动化手术器械，使用骨科导航系统或骨科机器人技术进行手术时，一般需要有固定在人体病患部位或附近的配准装置或定位装置进行术中配准和跟踪，这种配准或定位装置称为导航示踪器。
导航示踪器需要固定在患者的病患部位，一般示踪器固定方法通常因手术方式而不同，微创手术一般通过经皮固定，开放手术则直接将示踪器夹持或锚定在临近骨结构的位置。经皮固定的示踪器经常受到人体软组织形变的影响而不稳定，开放手术需要在患者手术部位开一个3～4cm的开口，将所有软组织剥离，暴露出骨性结构，然后将示踪器夹具伸入开口中，并夹持在骨结构上，以达到固定示踪器本体的目的。在上述结构中，由于需要在患者的身体上开一个允许夹具伸入的开口，这样除了必要的手术开口外，又多了一个开口，增加了患者的痛苦和手术风险。
既有的一种用于骨科手术的示踪器及其连接结构，包括顶部成型用于固定示踪器的槽体，连接件和用于固定在患者的骨性结构上的固定件，主要是特征是若干个固定件尽量分布在连接件的不同位置，从而将连接件与患者的骨性结构更加牢固的固定。一种用于骨科导航机器人的示踪配准夹包括手柄部、轴部和夹持部，手柄部和夹持部由两根杠杆围绕轴部交叉连接而成，轴部包括设置于两根杠杆中部的转轴，手柄部横向穿设有双向调节装置，可通过双向调节装置来控制手柄部两端的相对距离，使得两根杠杆围绕轴部转动，进而带动夹持部的两端的相对距离变化，使得夹持部两端相互靠近来夹持物体，其中，手柄部的一端设有用于固定配准装置或定位追踪装置的适配器。
上述方案采用的示踪器都为预先设计好的结构，一方面需要固定在手术部位骨结构附近，需要额外的位置，扩大了开放面，增加了患者痛苦和手术难度，另一方面不能很好的配合不同的骨结构，固定难度大，可能造成导航精度下降和术中的二次损伤。同时在使用中需要影像配准，增加了手术过程和难度。
近年来3D打印手术导板技术在骨科手术中取得广泛应用。3D打印导板首先是通过手术前CT扫描并进行骨结构3D重建，再通过3D编辑软件设计与解剖形态一致的反向模板，并在其上设计置钉通道和其他辅助结构，最后通过3D打印机制作出个性化手术导板。手术时固定在骨结构上，由于3D打印导板是根据患者骨结构定制得到的，其贴合面与骨结构能够完美契合，同时在固定后，导板的位置相对于骨结构也是已知的，不需要再次配准。实际上，在3D打印导板的实际应用中也是如此，医生在固定导板后，直接使用手术器械操作，有些手术中，术中CT或X光用来评估检测置钉成功率。3D打印导板在手术中能够提高准确率和安全性，但也存在一些问题：其一，人工操作的固有问题，无法量化钻孔或置钉深度，手术质量依赖于医生经验和手感，根据多个文献介绍，始终存在置钉时一定比例的穿破骨皮质或伤害脊髓的风险，手术较复杂、时间较长时，医生的疲劳也会影响手术质量；其二，手术中多种因素导致的骨结构位置的变化，医生往往凭感觉无法准确跟踪这种变化，在手术中影响手术精度；其三，在风险较高的位置手术时，如胸椎，为了避免伤害骨髓、血管和神经，往往需要多种导板，如定位导板、钻孔导板、置钉导板等，手术过程相当复杂。
因此，需要提供一种可用于数字化导航的、精准度高的、简单易操作的手术导板，可用于骨科手术导航系统或骨科手术机器人系统中导航示踪器。
【发明内容】
本申请的目的在于提供一种可用于数字化导航的、精准度高的用于骨科手术导航示踪器的手术导板及其制造方法。
本申请的再一目的在于提供一种可用于数字化导航的、精准度高的用于骨科手术导航示踪器的手术导板三维模型构建方法及计算机设备与存储介质。
为实现本申请目的，提供以下技术方案：
本申请提供一种手术导板，所述手术导板包括导板本体，所述导板本体上至少设有一个骨骼贴合面，所述手术导板还包括导航示踪面，所述导航示踪面设置于所述导板本体表面上或者设置于导航示踪载体上，所述导航示踪载体设置于所述导板本体上。
该手术导板根据术前骨骼影像3D重建而制作，其中，所述骨骼贴合面与待手术的骨结构面完全契合，使手术导板以及所带有的导航示踪面均可以稳定的固定于复杂的骨结构，可适应不同患者不同部位的骨骼结构，不容易发生偏移，导航精度高，减少了术中影像环节，简化了手术过程；无需额外的位置固定，使微创手术成为可能；将导航示踪器与3D打印手术导板合二为一，满足高效、精准、个性化的治疗需求。
一些实施方式中，所述导航示踪面为贴有可见光视觉识别跟踪图案的平面，所述平面直接形成于所述导板本体上，或形成于所述导航示踪载体上。其中，所述导航示踪载体可以是设置于所述导板本体上的平台，该平台形状不受限制，根据实际需要而设计，平台上有形成所述导航示踪面的平面，该平台可以与所述导板本体在3D打印制造中共同设计与生成。
另一些实施方式中，所述导航示踪面为具有一个或多个特征点的显影片，所述平面设置于所述导板本体上，或设置于所述导航示踪载体上。其中，所述导航示踪载体可以是设置于所述导板本体上的平台，该平台形状不受限制，根据实际需要而设计，平台上有形成所述导航示踪面的平面，该平台可以与所述导板本体在3D打印制造中共同设计与生成。
再一些实施方式中，所述导航示踪面为设置于所述导航示踪载体上的多个特征点形成的导航示踪面。其中，所述导航示踪载体为用于设置所述多个特征点的十字架装置。所述十字架装置可以与所述导板本体在3D打印制造中共同设计与生成。
还有一些实施方式中，所述导航示踪面为设置于所述导航示踪载体上的反光面。其中，所述反光面为曲面或斜面，所述导航示踪载体为具有所述反光面的反光球或反光体，所述反光体可以是包括有曲面或斜面的不限形状的载体，所述反光球或反光体可以与所述导板本体在3D打印制造中共同设计与生成。
一些实施方式中，所述导板本体上设有手术导针孔，用于导引手术针等器械。
一些实施方式中，所述导板本体上设有固定孔，用于加强固定。
另一些实施方式中，可以没有固定孔和手术导针孔，所述手术导板直接固定在骨骼上，通过导板本体上的骨骼贴合面与骨骼结构面的完全贴合从而固定。具体实施方式中例如所述手术导板可以夹在脊骨棘突位置。
本申请还提供一种所述手术导板的三维模型的构建方法，其包括：
获取待手术骨骼图像数据；
根据所述骨骼图像数据进行骨骼三维重建获得骨骼三维模型；
根据所述骨骼三维模型设计手术导板模型，所述手术导板模型设计为包括导板本体，所述导板本体上至少设有一个骨骼贴合面，所述骨骼贴合面与所述骨骼三维模型的结构面相契合，所述手术导板还包括导航示踪面，所述导航示踪面设置于所述导板本体表面上或者设置于导航示踪载体上，所述导航示踪载体设置于所述导板本体上。
与传统的3D打印手术导板相比，所述三维模型构建时增加了一个导航示踪面，在这个平面上安装导航系统可识别的特征图案或特征标记，实现术中跟踪，一方面可以较大幅度改善现有技术的缺陷，另一方面将3D打印技术与手术导航或手术机器人技术结合起来，进一步提高手术精度和安全性，简化手术过程和降低手术难度。
本申请还提供一种计算机设备，其包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述手术导板三维模型的构建方法。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述手术导板三维模型的构建方法。
本申请还提供一种如上所述手术导板的制造方法，其包括：
获取待手术骨骼图像数据；
根据所述骨骼图像数据进行骨骼三维重建获得骨骼三维模型；
根据所述骨骼三维模型设计手术导板模型，所述手术导板模型设计为包括导板本体，所述导板本体上至少设有一个骨骼贴合面，所述骨骼贴合面与所述骨骼三维模型的结构面相契合，所述手术导板还包括导航示踪面，所述导航示踪面设置于所述导板本体表面上或者设置于导航示踪载体上，所述导航示踪载体设置于所述导板本体上；
采用3D打印技术打印所述手术导板。
本申请还提供一种计算机设备，其包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述手术导板的制造方法。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述手术导板的制造方法。
与现有技术相比较，本申请具有如下所述优点：
本发明将导航示踪器与3D打印手术导板合二为一，满足高效、精准、个性化的治疗需求。在导板本体上生成骨骼贴合面，因为3D打印导板按照患者骨结构定制，贴合面与患者骨结构完美契合，误差极小，固定后空间位置已知，无需术中影像支持，可直接跟踪手术。
除此以外，在导板上设计一个导航示踪面，放置视觉定位图形或特定功能的示踪器，如十字架、特征点、反光点等，用于术中导航，另一方面，数字化导航或手术机器人的配合应用，可量化手术参数，手术机器人可直接参与手术，有助于减少手术误差，降低手术难度和风险。
本申请技术方案解决了现有设计中示踪器无法锲合复杂的骨结构，固定不稳定，易发生偏移，进而影响导航精度的缺陷；同时3D打印导板通过术前3D影像构建而来，与待手术的骨骼唯一性配合，无需进一步配准，可直接跟踪和定位，减少了术中影像环节，简化了手术过程；另外手术导板一般与待手术部位空间重合，无需额外的位置固定，使微创手术成为可能。
【附图说明】
图1为本申请手术导板实施例之一的立体视图一；
图2为本申请手术导板实施例之一的立体视图二；
图3为本申请手术导板实施例之一的反面立体视图；
图4为本申请手术导板实施例之一应用于椎骨上的示意图一；
图5为本申请手术导板实施例之一应用于椎骨上的示意图二；
图6为本申请手术导板实施例之二固定于椎骨棘突上的示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1～5，本申请手术导板实施例之一，所述手术导板包括导板本体100，所述导板本体下方设有一个骨骼贴合面101，该手术导板根据术前骨骼影像3D重建而制作，其中，所述骨骼贴合面101与待手术的椎骨300的骨结构面302完全契合。所述手术导板上方还设有导航示踪面200，所述导航示踪面200直接设置于所述导板本体表面100上。
该实施例设有手术导针孔103和固定孔104，所述固定孔104配合螺钉等固定钉用于加强固定在椎骨300上，使其更稳固，所述手术导针孔103用于导引手术针等器械。具体的，本实施例中所述导板本体100包括主体110和底座120，所述固定孔104设置在底座120上，所述骨骼贴合面101生成在所述底座120底面，或根据需要所述骨骼贴合面101设置在所述本体100上与待手术骨骼结构面相对应的任意面。所述底座120上设有导针管130及连接导针管130与主体110的加强梁105，所述手术导针孔103设于所述导针管130中。所述主体110上还设有与椎骨上的突骨结构301相适应的拱门102。
本实施例中，所述导航示踪面200是设置在所述导板本体100顶部的平面，所述导航示踪面200上贴有可见光视觉识别跟踪图案201，所述平面直接形成于所述导板本体100上。
本申请技术方案使手术导板以及所带有的导航示踪面均可以稳定的固定于复杂的骨结构，可适应不同患者不同部位的骨骼结构，不容易发生偏移，导航精度高，减少了术中影像环节，简化了手术过程；无需额外的位置固定，使微创手术成为可能；将导航示踪器与3D打印手术导板合二为一，满足高效、精准、个性化的治疗需求。
通过导航面的图案或特征标记点，就可实现手术范围内空间位置的配准和跟踪，导航示踪面根据导航需求进行设计，例如导航示踪面为最小10*10mm的平面，贴有可见光视觉识别跟踪的图案。配准和跟踪的技术方法也可以有多种，如X光、红外线等。
另一些实施例中，所述导航示踪面为具有一个或多个特征点的显影片，所述平面设置于所述导板本体上，或设置于所述导航示踪载体上。其中，所述导航示踪载体可以是设置于所述导板本体上的平台，该平台形状不受限制，根据实际需要而设计，平台上有形成所述导航示踪面的平面，该平台可以与所述导板本体在3D打印制造中共同设计与生成。
或者，所述导航示踪面为设置于所述导航示踪载体上的多个特征点形成的导航示踪面，其中，所述导航示踪载体为用于设置所述多个特征点的十字架装置。所述十字架装置可以与所述导板本体在3D打印制造中共同设计与生成。或者，所述导航示踪面是设置于所述导航示踪载体上的反光面，其中，所述反光面为曲面或斜面，所述导航示踪载体为具有所述反光面的反光球或反光体，所述反光体可以是包括有曲面或斜面的不限形状的载体，所述反光球或反光体可以与所述导板本体在3D打印制造中共同设计与生成。
另一些实施例中，也可以没有固定孔和手术导针孔。设有固定孔的实施例中，一般在手术时通过克氏针将导板固定在骨骼上，使其稳固，但在一些手术中，因为导板尺寸较小、固定难度较大或者已有一定经验无需固定时，医生常常痛通过按压或扶持的方式固定导板，也可实现手术。所述手术导针孔用作手术打孔或置钉时引导手术器械，在应用数字导航或手术机器人时，打孔或置钉位置和角度通过术前或术中规划已经确定，也可以不设置该手术导针孔。
如图6所示，所述手术导板包括导板本体401以及导航示踪载体402，所述导航示踪载体是设于导板本体401上的平台，所述平台上有导航示踪面403，所述手术导板直接固定在骨骼上，通过导板本体401上的骨骼贴合面与骨骼结构面的完全贴合从而固定，所述手术导板可以夹在脊骨棘突位置。
本申请还提供一种所述手术导板的三维模型的构建方法，其包括：
获取待手术骨骼图像数据；
根据所述图像数据进行骨骼三维重建获得所述骨骼三维模型；
根据所述骨骼三维模型设计手术导板模型，所述手术导板模型设计为包括导板本体，所述导板本体上至少设有一个骨骼贴合面，所述骨骼贴合面与所述待手术的骨骼三维模型的结构面相契合，所述手术导板还包括导航示踪面，所述导航示踪面设置于所述导板本体表面上或者设置于导航示踪载体上，所述导航示踪载体设置于所述导板本体上。
具体实施例中，例如可以通过CT得到术前影像并三维重建得到的一节椎骨，再根据椎骨三维模型数据设计所述手术导板模型。
与传统的3D打印手术导板相比，所述三维模型构建时增加了一个导航示踪面，在这个平面上安装导航系统可识别的特征图案或特征标记，实现术中跟踪，一方面可以较大幅度改善现有技术的缺陷，另一方面将3D打印技术与手术导航或手术机器人技术结合起来，进一步提高手术精度和安全性，简化手术过程和降低手术难度。
本申请还提供一种计算机设备，其包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述手术导板三维模型的构建方法。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述手术导板三维模型的构建方法。
本申请还提供一种如上所述手术导板的制造方法，其包括：
获取待手术骨骼图像数据；
根据所述图像数据进行骨骼三维重建获得所述骨骼三维模型；
根据所述骨骼三维模型设计手术导板模型，所述手术导板模型设计为包括导板本体，所述导板本体上至少设有一个骨骼贴合面，所述骨骼贴合面与所述待手术的骨骼三维模型的结构面相契合，所述手术导板还包括导航示踪面，所述导航示踪面设置于所述导板本体表面上或者设置于导航示踪载体上，所述导航示踪载体设置于所述导板本体上；
采用3D打印技术打印所述手术导板。
具体的，将制作好的手术导板的三维模型数据导入3D打印机中，使用分层软件对实体三维模型数据进行分层处理，获得的层片数据，控制软件根据层片数据进行逆向反求制造，包括层片打印和层片堆积，最后得到所述手术导板。
手术导板的骨骼贴合面需要结合3D重建的患者骨骼进行设计，针对不同的部位和不同的患者，导板的形状和大小根据实际情况而确定，骨骼贴合面与骨结构面完美契合，在固定好该手术导板后，其空间位置相对于待手术的骨结构是唯一的，针对不同的骨结构，贴合面需要重新配合设计，目前已试验的有脊椎、腰椎和胸椎，以及可扩展到胫骨、关节、颅颈、骨盆等病患部位。
骨骼3D数据应采用薄层CT扫描仪扫描并3D重建，导板材料采用具有较好强度和稳定性的聚乳酸材料或光敏树脂。导航示踪面突出手术面，使其术中全程可见，在导板设计时，可以根据导航面和置钉孔的要求综合设计。
本申请还提供一种计算机设备，其包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述手术导板的制造方法。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述手术导板的制造方法。
本申请技术方案解决了现有设计中示踪器无法锲合复杂的骨结构，固定不稳定，易发生偏移，进而影响导航精度的缺陷；同时3D打印导板通过术前3D影像构建而来，与待手术的骨骼唯一性配合，无需进一步配准，可直接跟踪和定位，减少了术中影像环节，简化了手术过程；另外手术导板一般与待手术部位空间重合，无需额外的位置固定，使微创手术成为可能。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，本申请的保护范围并不局限于此，任何基于本申请技术方案上的等效变换均属于本申请保护范围之内。

Claims (8)

1.一种手术导板，其特征在于，其包括导板本体，所述导板本体上至少设有一个骨骼贴合面，所述手术导板还包括导航示踪面，所述导航示踪面设置于所述导板本体表面上，或者所述导航示踪面设置于导航示踪载体上，所述导航示踪载体设置于所述导板本体上，所述导航示踪面为贴有可见光视觉识别跟踪图案的平面，所述平面直接形成于所述导板本体上，或形成于所述导航示踪载体上；或者所述导航示踪面为具有一个或多个特征点的显影片，所述导航示踪面设置于所述导板本体上，或设置于所述导航示踪载体上。
2.如权利要求1所述的手术导板，其特征在于，所述导航示踪面形成于所述导航示踪载体上，所述导航示踪载体为设置于所述导板本体上的平台。
3.如权利要求1所述的手术导板，其特征在于，所述导航示踪面为设置于所述导航示踪载体上的多个特征点形成的示踪面，所述导航示踪载体为用于设置所述多个特征点的十字架装置。
4.如权利要求1~3任一项所述的手术导板，其特征在于，所述导板本体上设有手术导针孔和固定孔。
5.一种手术导板三维模型构建方法，其特征在于，对如权利要求1~4任一项所述手术导板进行三维模型构建，该手术导板三维模型构建方法包括：
获取待手术骨骼图像数据；
根据所述骨骼图像数据进行骨骼三维重建获得骨骼三维模型；
根据所述骨骼三维模型设计手术导板模型，所述手术导板模型设计为包括导板本体，所述导板本体上至少设有一个骨骼贴合面，所述骨骼贴合面与所述骨骼三维模型的结构面相契合，所述手术导板还包括导航示踪面，所述导航示踪面设置于所述导板本体表面上或者设置于导航示踪载体上，所述导航示踪载体设置于所述导板本体上，所述导航示踪面为贴有可见光视觉识别跟踪图案的平面，所述平面直接形成于所述导板本体上，或形成于所述导航示踪载体上；或者所述导航示踪面为具有一个或多个特征点的显影片，所述导航示踪面设置于所述导板本体上，或设置于所述导航示踪载体上。
6.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求5所述手术导板三维模型构建方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求5所述手术导板三维模型构建方法。
8.一种如权利要求1~4任一项所述手术导板的制造方法，其特征在于，其包括：
获取待手术骨骼图像数据；
根据所述骨骼图像数据进行骨骼三维重建获得骨骼三维模型；
根据所述骨骼三维模型设计手术导板模型，所述手术导板模型设计为包括导板本体，所述导板本体上至少设有一个骨骼贴合面，所述骨骼贴合面与所述骨骼三维模型的结构面相契合，所述手术导板还包括导航示踪面，所述导航示踪面设置于所述导板本体表面上或者设置于导航示踪载体上，所述导航示踪载体设置于所述导板本体上，所述导航示踪面为贴有可见光视觉识别跟踪图案的平面，所述平面直接形成于所述导板本体上，或形成于所述导航示踪载体上；或者所述导航示踪面为具有一个或多个特征点的显影片，所述导航示踪面设置于所述导板本体上，或设置于所述导航示踪载体上；
采用3D打印技术打印所述手术导板。
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