CN112185226A - 一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳进钉点的仿真腰椎模型及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳进钉点的3D打印仿真腰椎模型及制作方法，模型包括皮肤、肌肉和腰椎骨骼，所述腰椎骨骼在椎弓根投影区设有最佳通道、最佳进钉点、备选通道和备选进钉点，最佳进钉点设在最佳通道与椎体上关节突皮质相交处，与最佳通道相连接；备选通道平行设在最佳通道四周，覆盖椎弓根投影区；备选进钉点设在各备选通道与椎体关节突、椎板或横突皮质相交处，与相应的备选通道相连接等。本发明缩短了低年资骨科医师的培养曲线，提高培养效率，同时该模型仿真度高，可重复操作性强。

Description

一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳进钉点 的仿真腰椎模型及制作方法

技术领域

本发明属于脊柱外科医疗器械技术领域，尤其涉及一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳进钉点的仿真腰椎模型及制作方法。

背景技术

腰椎椎弓根螺钉置钉常用于腰椎骨折、退变性疾病、结核、肿瘤等疾病，重建腰椎三维结构，该技术是脊柱外科医生必须掌握的操作技术。然而，腰椎椎弓根螺钉置钉风险高，置钉失败造成血管神经损伤后果严重。传统的培养方式学习曲线长，效率低，标本少，操作机会极其有限，极大地阻碍了低年资骨科医师学习掌握该技术。

腰椎椎弓根螺钉置钉技术地最关键、最重要的是确定进钉点，只要进钉点正确，再根据术中C臂透视调整头倾、尾倾角，一般能置钉成功。目前临床中常用的进钉点确定方法包括：(1)人字嵴顶点法：腰椎狭部有一隆起的纵嵴，在上关节突根部的后外侧也有一隆起的纵嵴，两嵴汇合形成“人”字结构，故称人字嵴，该结构较稳定，一般以该人字嵴顶点作为进钉点；(2)Magerl法：上关节突外缘垂线与横突水平线的交点；(3)Louis法：水平线上经上关节突关节面下缘上方1mm，垂直线为关节间隙呈矢状则经关节间隙最外缘，如呈额状，则取关节突外三分之一。

在临床操作中，手术置钉的成功与否主要靠主刀医生的经验和C臂透视，同时依赖于椎体的各个解剖标志，若存在解剖结构变异，常导致置钉失败或反复更改钉道，降低螺钉把持力。随着3D打印技术的快速发展，3D打印技术广泛应用于临床教学，无论是术前设计还是模拟手术操作，为低年资骨科医师学习、掌握腰椎椎弓根螺钉置钉技术提供了便利。

但以往的模拟手术模型大多仅包含骨骼，没有软组织的覆盖包裹，大大降低模拟手术的难度、仿真性。真实的手术操作存在软组织暴露环节，通过暴露部分椎板骨组织联想整个椎体形态，对操作者的联想能力、解剖熟悉程度要求甚高。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的3D打印仿真腰椎模型及制作方法，利用本发明中模型，可提高低年资骨科医师对腰椎弓根螺钉最佳入点的认识，熟悉腰椎椎弓根置钉手术过程，缩短了低年阶骨科医师的培养曲线，提高培养效率，可重复操作性强，成本低，较良好的解决了手术操作模型少的问题，值得各级医院、学校推广。

解决以上技术问题的本发明中的一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的3D打印仿真腰椎模型，其特征在于：包括皮肤、肌肉和腰椎骨骼，用朱红色橡皮泥模拟人体肌肉包裹腰椎骨骼，塑造成人体腰部大致模样，最后用肉色皮革缠绕，模拟人体皮肤，构建出高度仿真的人体腰椎模型；所述腰椎骨骼在椎弓根投影区设有最佳通道、最佳进钉点、备选通道和备选进钉点，最佳进钉点设在最佳通道与椎体上关节突皮质相交处，与最佳通道相贯通连接；备选通道平行设在最佳通道四周，覆盖椎弓根投影区；备选进钉点设在各备选通道与椎体关节突、椎板或横突皮质相交处，与相应的备选通道相贯通连接；最佳安全通道穿破椎体前壁，备选通道前端不穿破椎体前壁。

腰椎骨骼为通过3D打印方法制作腰椎骨骼实体模型而得。先在3D模型上确定椎弓根螺钉置入的最佳安全通道及最佳入点，同时在最佳安全通道四周提供与其平行的备选通道和备选入点60-80个。

所述最佳安全通道直径为1.0mm，进钉点直径为1.0mm。

所述最佳安全通道的平面标准为椎体上、中1/3交界处，并与椎体上终板平行。

最佳内倾角：最佳安全通道轴线与椎弓根轴线相同，内倾角10°-15°。

最佳进钉点：最佳安全通道与椎体上关节突皮质相交点即为椎弓根螺钉置入的最佳进钉点。最佳安全通道穿破椎体前壁，利于定位最佳安全通道。

所述每个椎弓根投影区域设有1个最佳安全通道，相应的有1个最佳进钉点；每个椎弓根投影区域设有备选通道60-80个，相应的有60-80个备选进钉点；所有通道直径为1.0mm，所有进钉点直径为1.0mm，各相邻通道垂直距离为1.0mm。

所述备选通道前端达椎体中央，深度大于3cm，不穿破椎体前壁。

所有备选通道与最佳安全通道在空间上相互平行，并分布于最佳安全通道四周，覆盖椎弓根投影区。最佳安全通道及备选通道都能允许10号注射器针头通过，因为10号注射器针头刚好能通过设计的进钉点和通道，插入深度3cm(小于所有通道深度)。

本发明中的3D打印仿真腰椎模型，通过模拟腰椎骨骼、肌肉、皮肤组织，增加暴露软组织环节，极大锻炼操作者的空间联想能力，同时熟悉掌握腰椎解剖结构。可反复利用、操作，极大地节约了成本，同时较良好的解决了手术操作模型少的问题。

本发明中一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的3D打印仿真腰椎模型的制作方法，包括以下步骤：

(1)收集正常的腰椎CT DICOM数据，128排螺旋CT扫；

(2)在三维重建软件中建立3D腰椎三维模型：将正常腰椎DICOM数据导入Mimics软件中，通过“阈值选取工具”，选定最低阀值为150，获得腰椎原始蒙罩；再通过“分割蒙罩”将腰椎蒙罩分离生成新蒙罩，选择软件默认的最佳质量进行三维重建，得到3D腰椎三维模型；

(3)椎弓根螺钉置入的最佳安全通道及最佳进钉点：在Mmimics软件中选取分割工具，选取椎体上、中1/3交界处与椎体上下终板平行的平面，在该平面选取直径为1.0mm、长度为100mm的CAD圆柱工具，圆柱前端穿出椎体前壁，后端与椎体上关节突皮质相交点即为椎弓根螺钉置入的最佳进钉点；

(4)椎弓根螺钉置入的备选通道及备选进钉点：将CAD圆柱工具保存为STL格式，再将STL格式的圆柱导入Mimics软件，确定备选通道的进钉点；备选通道前端达椎体中部，大于3cm，不穿破椎体前壁；

(5)通过摩尔运算，将椎体减去最佳安全通道与备选通道，得到带有若干个通道的3D腰椎三维模型，在3D腰椎三维模型的头端及尾端设计梯形底座，通过3D打印技术制作上述腰椎实体模型；

(6)用朱红色橡皮泥模拟人体肌肉包裹腰椎实体模型，塑造成人体腰部大致模样，最置于塑料盒中用肉色皮革缠绕从而模拟人体皮肤，构建出高度仿真包括皮肤、肌肉、骨骼三大部分的人体腰椎模型。

所述CT扫描参数为：扫描层厚为0.75-1.5mm，电压120kV，获取DICOM数据。

所述CT的电流182.25mAs，扫描层厚0.625mm，矩阵512×512像素。

所述步骤(3)中圆柱分别通过左、右两侧椎弓根轴心，内倾角约10°-15°

所述步骤(4)中确定备选通道的进钉点具本步骤为通过复制、移动工具将STL格式的圆柱向上、下、左、右四个方向平移，反复操作后，最终所有备选通道覆盖椎弓根投影区，根据椎弓根区域面积大小，提供60-80个备选通道，各备选通道与椎体关节突、椎板、横突皮质相交点即为备选通道的进钉点

本发明中模型的应用：正常腰椎的手术训练，同时还可以根据3D打印技术个体化设计退变、畸形的腰椎，根据本发明方法制作退变、畸形腰椎的3D打印仿真手术模型。

模拟手术操作：定位，常规消毒铺巾，切开“皮肤”，暴露“脊柱椎板、关节突、人字嵴顶点等结构”。结合术前腰椎X线、CT等检查资料，确定横突中线与椎板外缘相交点，同时参考人字嵴顶点，确定进钉点并将10号注射器针头插入该进钉点及通道。依次进行腰1至腰5椎弓根进钉点定位，C臂透视正侧位(图33、34)，根据透视结果再适当调整进钉点。

模拟手术操作之后，将3D打印腰椎实体模型取出，从椎体前壁孔穿出导丝确定最佳进钉点。若注射器针头与导丝相重，则表明术中确定的进钉点为最佳进钉点；若注射器针头与导丝不相重，则表明术中确定的进钉点不是最佳进钉点。记分方式如图35、36所示，以最佳进钉点为中心画圆，注射器针头在最佳进钉点计5分，注射器针头在第一个圆上计4分，注射器针头在第二个圆上计3分，注射器针头在第三个圆上计2分，注射器针头在第四个圆上计1分，注射器针头在第五个圆及以外计0分。

完成操作、记分后，再让操作者仔细分析总结：定位的进钉点与最佳进钉点的距离，解剖标志差异，从三维角度认知最佳进钉点为解剖位置等。

本发明中3D打印仿真腰椎手术模型主要是针对低年资骨科医师或住培医师、进修医师设计，在椎弓根进钉区域设有多个通道可供操作者选择，操作者根据以往学习知识确定进钉点后用10号注射器针头插入通道，操作完成后取出3D打印腰椎实物模型公布最佳进钉点的位置，最后总结分析经验教训、不足之处。这样反复操作、总结，可提高低年阶骨科医师的操作技能，缩短了低年阶骨科医师的培养曲线，提高培养效率。可重复操作性强，成本低，较良好的解决了手术操作模型少的问题。

本发明中3D打印仿真腰椎手术模型在椎弓根进钉区域设有多个通道，每个通道的内倾角、头倾角固定为最佳，每个通道相互平行。操作者可根据设计通道内倾角、头倾角，切身体会感受腰1-腰5椎弓根螺钉的最佳内倾角、头倾角，从而培养良好地“手感”。

本发明中3D打印仿真腰椎手术模型在操作后采用的记分方式类似于“打靶记分”，记分越高，表明操作者选择的进钉点越靠近最佳进钉点，表明操作准确、成功置钉的可能性越大。这种记分方式还可用于技能操作考核，记分越高，表明操作越正确。

本发明中3D打印仿真腰椎手术模型成本低，可重复性高，对硬件设备要求低，在各阶层医院或学校具有较大的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明中腰椎骨骼模型示意图

图2为本发明中选取腰1椎体上、中1/3交界处与椎体上终板平行的平面示意图

图3为本发明中CAD圆柱通过椎弓根轴心示意图

图4为本发明中CAD圆柱在椎弓根中的位置图

图5为本发明中CAD圆柱与上终板平行图

图6为本发明中虚拟透视双侧CAD圆柱在椎弓根内位置示意图

图7为本发明中CAD圆柱后端与椎体上关节突皮质相交点图

图8为本发明中椎弓根螺钉置入的最佳进钉点图

图9为本发明中椎弓根投影区域被CAD圆柱覆盖图

图10为本发明中虚拟透视腰1椎体，正后位见双侧备选模拟通道基本覆盖双侧椎弓根区域图

图11为本发明中腰1双侧椎弓根冠状面见双侧备选模拟通道基本覆盖双侧椎弓根区域图

图12为本发明中虚拟透视侧位见最佳安全通道穿出椎体前壁，备选模拟通道前端达椎体中央图

图13为本发明中正前位见最佳安全通道穿出椎体前壁，所有备选模拟通道前端未穿出椎体前壁图

图14为本发明中带有若干个通道的腰1椎体三维模型图

图15为本发明中虚拟透视正后位见最佳进钉点基本上位于所有备选通道中央区域图

图16为本发明中正前位见最佳安全通道穿出椎体前壁，备选通道前端未穿出椎体前壁图

图17为本发明中虚拟透视侧位见最佳安全通道穿出椎体前壁，备选通道前端未穿出椎体前壁图

图18为本发明中3D打印腰1椎体实体模型图

图19和图20为本发明中3D打印腰1椎体实体模型上的所有通道都允许10号注射器针头通过图

图21和图22为本发明中C型臂正侧位透视下见注射器针头位置图

图23为本发明中腰1-5椎的最佳安全模拟通道与备选模拟通道图

图24为本发明中虚拟透视侧位下最佳安全模拟通道与备选模拟通道图

图25为本发明中腰1-5椎的最佳安全通道和备选通道图

图26为本发明中虚拟透视侧位下最佳安全通道和备选通道图

图27为本发明中3D腰椎模型的头端及尾端设计梯形底座图

图28为本发明中3D腰椎模型实体模型图

图29和图30为本发明中仿真的人体腰椎模型(包括皮肤、肌肉、骨骼)图

图31为本发明中模拟手术操作剥离软组织，暴露椎板、关节突、人字嵴顶点图

图32为本发明中术中确定进钉点并将10号注射器针头插入进钉点及通道图

图33和图34为本发明中术中C臂透视正侧位图

图35和图36为本发明中记分示意图

图37为本发明中腰椎正位X线透视下椎弓根的投影区图

其中，图中标识具体为：

1.椎体，2.椎板，3.上关节突，4.下关节突，5.横突，6.人字脊顶点，7.10号注射器针头，8.椎弓根投影区，9.进钉通道，10.进钉点，11.最佳进钉点，12.最佳进钉通道，13.最佳安全模拟通道CAD圆柱，14.外壁，15.内壁，16.椎弓根轴心，17.矢状线，18.备选通道，19.皮肤，20.肌肉，21.腰椎骨骼22.底座

具体实施方式

实施例1

一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的3D打印仿真腰椎模型，包括设有皮肤、肌肉和腰椎骨骼，用朱红色橡皮泥模拟人体肌肉包裹腰椎骨骼，塑造成人体腰部大致模样，最后用肉色皮革缠绕，模拟人体皮肤，构建出高度仿真的人体腰椎模型；所述腰椎骨骼在椎弓根投影区设有最佳通道、最佳进钉点、备选通道和备选进钉点，最佳入点设在最佳通道与椎体上关节突皮质相交处，与最佳通道相贯通连接；备选通道平行设在最佳通道四周，覆盖椎弓根投影区；备选进钉点设在各备选通道与椎体关节突、椎板或横突皮质相交处，与相应的备选通道相贯通连接；最佳安全通道穿破椎体前壁，备选通道前端不穿破椎体前壁。

腰椎狭部有一隆起的纵嵴，在上关节突根部的后外侧也有一隆起的纵嵴，两嵴汇合形成“人”字结构，故称人字嵴，该结构较稳定，一般以该人字嵴顶点作为进钉点。椎弓根投影区是指腰椎正位X线透视下椎弓根的投影区，椎弓根轴心就在这个区域内。一个进钉点对应一个进钉通道，进钉点的位置设计在椎弓根投影区域，每个进钉点就有一个进钉通道。

腰椎骨骼为通过3D打印方法制作腰椎骨骼实体模型而得。先在3D模型上确定椎弓根螺钉置入的最佳安全通道及最佳入点，同时在最佳安全通道四周提供与其平行的备选通道和备选入点60-80个。

最佳安全通道直径为1.0mm，进钉点直径为1.0mm。最佳安全通道的平面标准为椎体上、中1/3交界处，并与椎体上终板平行。

最佳内倾角：最佳安全通道轴线与椎弓根轴线相同，内倾角10°-15°。椎弓根轴心是指椎弓根的中心。最佳进钉点：最佳安全通道与椎体上关节突皮质相交点即为椎弓根螺钉置入的最佳进钉点。

最佳安全通道穿破椎体前壁，利于定位最佳安全通道。备选通道前端达椎体中央，深度大于3cm，不穿破椎体前壁。所有备选通道与最佳安全通道在空间上相互平行，并分布于最佳安全通道四周，，覆盖椎弓根投影区，呈矩形分布。最佳安全通道及备选通道都能允许10号注射器针头通过，因为10号注射器针头刚好能通过设计的进钉点和通道，插入深度3cm(小于所有通道深度)。

每个椎弓根投影区域设有1个最佳安全通道，相应的有1个最佳进钉点；每个椎弓根投影区域设有备选通道60-80个，相应的有60-80个备选进钉点；所有通道直径为1.0mm，所有进钉点直径为1.0mm，各相邻通道垂直距离为1.0mm。

实施例2

用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉置入最佳点的3D打印仿真腰椎模型，具体步骤制作如下：

(1)收集正常的腰椎CT DICOM数据，CT扫描条件：128排螺旋CT(西门子公司，德国)，电压120kV，电流182.25mAs，层厚0.625mm，矩阵512×512像素，扫描层厚0.625mm。

(2)在三维重建软件中建立3D腰椎三维模型：为将正常腰椎DICOM数据导入Mimics19.0(Materialise公司，比利时)软件中，通过“阈值选取工具”，选定最低阀值为150，获得腰椎原始蒙罩。通过“分割蒙罩”将腰椎蒙罩分离生成新蒙罩，选择软件默认的最佳质量进行三维重建，得到3D腰椎三维模型，如图1所示。

(3)椎弓根螺钉置入的最佳安全通道及最佳进钉点：在Mmimics软件中选取分割工具，单独分离腰1椎体、附件骨组织及胸12下关节突、胸12椎体棘突，选取腰1椎体上、中1/3交界处与椎体上终板平行的平面(如图2)，在该平面选取直径为1.0mm、长度为100mm的CAD圆柱工具(CAD圆柱在Mimics软件中是指模拟进钉通道，相当于最佳进钉通道)，圆柱分别通过左、右两侧椎弓根轴心，内倾角约10°-15°(如图3)。CAD圆柱工具前端穿出椎体前壁，后端与椎体上关节突皮质相交点即为椎弓根螺钉置入的最佳进钉点。如图4所示，双侧CAD圆柱通过椎弓根中心稍偏上。如图5所示，虚拟透视腰1椎体，侧位见双侧CAD圆柱与上终板平行。如图6所示，虚拟透视腰1椎体，正后位见双侧CAD圆柱在椎弓根内位置良好。如图7所示，CAD圆柱后端与椎体上关节突皮质相交点即为椎弓根螺钉置入的最佳进钉点；如图8所示，通过摩尔运算，得到腰1椎弓根螺钉最佳进钉点通道。

最佳安全通道轴线与椎弓根轴线为重叠，内倾角是指钉道的轴线(最佳安全模拟通道轴线或模拟通道轴线)与矢状线之间的夹角。

(4)椎弓根螺钉置入的备选模拟通道及备选模拟进钉点：将最佳安全模拟通道CAD圆柱保存为STL格式，再将STL格式的圆柱导入Mimics软件，通过复制、移动工具，以最佳安全模拟通道CAD圆柱为中心在椎弓根投影区域向上、下、左、右四个方向平移。反复复制、平移操作后得到60-80个CAD圆柱作为备选模拟通道，而且相邻的CAD圆柱在上下左右四个方向上相距1mm，最终CAD圆柱覆盖椎弓根投影区域(如图9)。各备选模拟通道与椎体关节突、椎板、横突皮质相交点即为备选通道的模拟进钉点。备选模拟通道前端达椎体中部(深度大于3cm)，不穿破椎体前壁。如图10所示，虚拟透视腰1椎体，正后位见双侧备选模拟通道基本覆盖双侧椎弓根区域；如图11所示，腰1双侧椎弓根冠状面见双侧备选模拟通道基本覆盖双侧椎弓根区域；如图12所示，虚拟透视侧位见最佳安全通道穿出椎体前壁，所有备选模拟通道前端达椎体中央；如图13所示，正前位见最佳安全通道穿出椎体前壁，所有备选模拟通道前端未穿出椎体前壁。

(5)通过摩尔运算，将腰1椎体减去最佳安全模拟通道与备选模拟通道(CAD圆柱)，得到带有若干个通道的腰1椎体三维模型(如图14)。如图15所示，虚拟透视正后位见最佳进钉点基本上位于所有备选通道中央区域；如图16所示，正前位见最佳安全通道穿出椎体前壁，所有备选通道前端未穿出椎体前壁。如图17所示，虚拟透视侧位见最佳安全通道穿出椎体前壁，所有备选通道前端未穿出椎体前壁。

(6)通过3D打印技术制作上述腰1椎体实体模型(图18)；如图19、图20所示，3D打印腰1椎体实体模型上的所有通道都允许10号注射器针头通过；如图21、图22所示，将10号注射器针头插入上诉模型的最佳进钉通道，在C型臂正侧位透视下见10号注射器针头位于椎弓根内，位置良好，针尖达椎体中央。

(7)重复以上3)-5)操作步骤，将腰2-5椎体设计出最佳安全模拟通道与备选模拟通道(CAD圆柱)，如图23所示。最佳安全模拟通道(CAD圆柱)前端穿出椎体前壁，所有备选模拟通道基本覆盖椎弓根区域，备选通道模拟前端不突破椎体前壁(如图24所示)。通过摩尔运算得到最佳安全通道和备选通道(如图25)，虚拟透视椎体侧位见最佳安全通道通过椎体前壁，备选通道前端达椎体中央(如图26)。

(8)在3D腰椎模型的头端及尾端设计梯形底座(图27)，利于放置实体模型。通过3D打印技术制作实体模型(图28)，再用朱红色橡皮泥模拟人体肌肉包裹腰椎实体模型，塑造成人体腰部大致模样，最后置于塑料盒中用肉色布料缠绕(模拟人体皮肤)，构建出仿真的人体腰椎模型(包括皮肤、肌肉、骨骼三大部分)，如图29-图30所示。

(9)模拟手术操作：定位，常规消毒铺巾，切开“皮肤”，暴露“脊柱椎板、关节突、人字嵴顶点等结构”，如图31。结合术前腰椎X线、CT等检查资料，确定横突中线与椎板外缘相交点，同时参考人字嵴顶点，确定进钉点并将10号注射器针头插入该进钉点及通道，如图32。依次进行腰1至腰5椎弓根进钉点定位，C臂透视正侧位(图33、图34)，根据透视结果再适当调整进钉点。

(10)模拟手术操作之后，将3D打印腰椎实体模型取出，从椎体前壁孔穿出导丝确定最佳进钉点。若注射器针头与导丝相重，则表明术中确定的进钉点为最佳进钉点；若注射器针头与导丝不相重，则表明术中确定的进钉点不是最佳进钉点。记分方式如图35、36所示，以最佳进钉点为中心画圆，注射器针头在最佳进钉点计5分，注射器针头在第一个圆上计4分，注射器针头在第二个圆上计3分，注射器针头在第三个圆上计2分，注射器针头在第四个圆上计1分，注射器针头在第五个圆及以外计0分。

(11)完成操作、记分后，再让操作者仔细分析总结：定位的实际进钉点与最佳进钉点的距离，解剖标志差异，从三维角度认知最佳进钉点为解剖位置等。

需指出的是：1)根据3D打印设备的参数性能，本发明所设计的最佳安全通道与备选通道直径都为1.0mm，通道之间的间距为1.0mm，如果3D打印设备的参数性能更高，可将通道直径、间距设计得更小，设计更多的备选通道可供选择。

最佳安全通道突破椎体前壁是为了方便从椎体前侧穿出导丝反向寻找最佳进钉点。

将腰椎实体模型用橡皮泥覆盖、包裹，更加真实的模拟肌肉、骨胳组织。橡皮泥与腰椎实体模型颜色相同，而且两者包裹良好，即使在手术操作中将橡皮泥从椎体附件组织上剥离，设计的进钉点不能通过肉眼识别，隐蔽性良好。这样设计的优点在于防止操作者通过确定所有进钉点的范围，然后在这个范围的中央区域选择进钉点。

本发明中所有通道的头倾角、内倾角都是最优化的，单因素的提供进钉点的选择，主要是考虑到进钉点的选择是腰椎椎弓根螺钉置入手术成败的最关键部分，若进钉点是最优化的，头倾角、内倾角的选择就较为容易调整。

临床腰椎手术置钉时，进钉点必须是在一个安全区域内，即使进钉点不是最优化的，也可以适当调整头倾角、内倾角来完成椎弓根螺钉置钉；若进钉点超出这个安全区域，就存在损伤血管神经的风险，同时反复调整进钉点无疑会降低螺钉的把持力。本发明提供的备选通道完全覆盖椎弓根区域，亦覆盖这个安全区域。这个安全区域在本发明中可以理解为：以最佳进钉点为中心，周围3mm以内的范围，即第2个圆圈内的区域进钉(如图35,36所示)，螺钉突破椎弓根壁的风险较小，是推荐的进钉区域，以本发明的记分方式得分为3-5分。以最佳进钉点为中心，周围3-5mm区域，即第2个圆圈至第4个圆圈区域进钉，螺钉突破椎弓根壁的风险较大，但突破椎弓根壁的距离在相对安全范围内(突破椎弓根壁<2mm)，故计1-2分，不推荐该进钉方式。以最佳进钉点为中心，周围5mm以外(第4个圆圈以外)区域的进钉点肯定突破椎弓根壁，存在损伤血管神经的风险极大，故计0分，不允许该进钉方式。

该发明即可以用于临床教学，也可以用于低年资骨科医师操作培训，操作考核等方面，解决了练习标本少的问题，而且可重复利用，成本低，值得各级医院、学校推广。

试验一

试验对象

以2018年1月－2019年6月在医院骨1科学习的43名骨科住院医师规范化培训医师(以下简称学员)为研究对象。43名学员均为男性，年龄23～27岁；均为规培一年级，其中本科生32人，研究生11人。带教老师为副主任医师及以上职称人员，均具有较强的临床、理论教学能力，熟练掌握Mimics软件。

试验方法

所有学员在入科报道第一天进行操作考核，使用本发明3D打印仿真腰椎模型进行操作，寻找椎弓根螺钉最佳进钉点。带教老师在学员操作之前，结合相应的腰椎X线、CT、模型等资料讲解描述椎弓根解剖结构、置钉要点和注意事项。43名学员随机抽取1具模型并独立在手术台上模拟手术：常规消毒铺巾，切开“皮肤”，暴露并参考“脊柱椎板、关节突、人字嵴顶点”等结构，确定进钉点位置，并将注射器针头插入钉道。完成腰1至腰5双侧椎弓根进钉点定位(共计10个进钉点)。每个学员每天操作1次，连续操作10d。操作完成后取出腰椎实体模型记分，带教老师根据操作结果再次讲解注意事项，学员总结得失。

试验结果

所有学员顺利完成手术培训操作，学员10次手术操作的平均得分依次为(13.05±2.45)、(14.02±3.96)、(17.58±3.46)、(21.02±2.04)、(23.40±4.08)、(25.14±3.72)、(27.26±6.09)、(33.37±4.23)、(35.00±4.15)、(38.49±1.70)分，差异有统计学意义(F＝340.604，P<0.001)；学员10次手术操作平均时间依次为(22.51±4.28)、(19.93±4.28)、(18.05±2.89)、(17.05±1.76)、(16.98±1.97)、(15.47±1.74)、(13.51±1.42)、(12.60±2.17)、(12.44±1.71)、(11.91±1.87)min，差异有统计学意义(F＝102.359，P<0.001)。

实验结论：基于3D打印技术构建的一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳进钉点的3D打印仿真腰椎模型，可行性强，可重复操作，是良好的手术培训模型。

本发明允许低年资骨科医师模仿真实手术过程：定位，切开“皮肤”，暴露“脊柱椎板、关节突、人字嵴顶点等结构”。结合术前腰椎X线、CT等检查资料，确定横突中线与椎板外缘相交点，同时参考人字嵴顶点，确定进钉点位置。本发明中3D打印仿真腰椎模型可以充分利用于临床教学，用于临床操作培训，辅助低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳进钉点。还可用于临床操作考核，模拟真实手术操作过程，用于考核骨科医师临床操作能力。该3D打印仿真腰椎手术模型仿真度高，简单易行，操作性强，成本较低，可行性高，解决了临床操作标本少的问题，值得各级医院、学校推广。

本发明允许低年资骨科医师模仿真实手术过程：定位，切开“皮肤”，暴露“脊柱椎板、关节突、人字嵴顶点等结构”。结合术前腰椎X线、CT等检查资料，确定横突中线与椎板外缘相交点，同时参考人字嵴顶点，确定进钉点位置。若定位的进钉点在通道上，直接将10号注射器针头插入该通道；若定位的进钉点不在通道上，则选择距离最近的通道作为进钉点，并将10号注射器针头插入该通道。同理寻找其它椎体椎弓根螺钉进钉点，共计5个椎体，10个进钉点。

本发明中3D打印仿真腰椎模型可以充分利用于临床教学，用于临床操作培训，辅助低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点。还可用于临床操作考核，模拟真实手术操作过程，用于考核骨科医师临床操作能力。该3D打印仿真腰椎手术模型仿真度高，简单易行，操作性强，成本较低，可行性高，解决了临床操作标本少的问题，值得各级医院、学校推广。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点，上述实施例和说明书所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，这些变化和改进都将落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的仿真腰椎模型，其特征在于：包括皮肤、肌肉和腰椎骨骼，用朱红色橡皮泥模拟人体肌肉包裹腰椎骨骼，塑造成人体腰部大致模样，最后用肉色皮革缠绕，模拟人体皮肤，构建出高度仿真的人体腰椎模型；所述腰椎骨骼在椎弓根投影区设有最佳通道、最佳进钉点、备选通道和备选进钉点，最佳进钉点设在最佳通道与椎体上关节突皮质相交处，与最佳通道相贯通连接；备选通道平行设在最佳通道四周，覆盖椎弓根投影区；备选进钉点设在各备选通道与椎体关节突、椎板或横突皮质相交处，与相应的备选通道相贯通连接；最佳安全通道穿破椎体前壁，备选通道前端不穿破椎体前壁。

2.根据权利要求1所述的一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的仿真腰椎模型，其特征在于：所述最佳安全通道直径为1.0mm，进钉点直径为1.0mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的仿真腰椎模型，其特征在于：所述最佳安全通道的平面标准为椎体上、中1/3交界处，并与椎体上终板平行。

4.根据权利要求1所述的一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的仿真腰椎模型，其特征在于：所述备选通道和备选入点分别60-80个，备选通道和备选入点数目相等；备选通道直径为1.0mm，备选入点直径为1.0mm，各相邻备选通道垂直距离为1.0mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的仿真腰椎模型，其特征在于：所述备选通道前端达椎体中央，深度大于3cm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的仿真腰椎模型的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)收集正常的腰椎CT DICOM数据，128排螺旋CT扫；

(2)在三维重建软件中建立3D腰椎三维模型：将正常腰椎DICOM数据导入Mimics软件中，通过“阈值选取工具”，选定最低阀值为150，获得腰椎原始蒙罩；再通过“分割蒙罩”将腰椎蒙罩分离生成新蒙罩，选择软件默认的最佳质量进行三维重建，得到3D腰椎三维模型；

(3)椎弓根螺钉置入的最佳安全通道及最佳进钉点：在Mmimics软件中选取分割工具，选取椎体上、中1/3交界处与椎体上下终板平行的平面，在该平面选取直径为1.0mm、长度为100mm的CAD圆柱工具，圆柱前端穿出椎体前壁，后端与椎体上关节突皮质相交点即为椎弓根螺钉置入的最佳进钉点；

(4)椎弓根螺钉置入的备选通道及备选进钉点：将CAD圆柱工具保存为STL格式，再将STL格式的圆柱导入Mimics软件，确定备选通道的进钉点；备选通道前端达椎体中部，大于3cm，不穿破椎体前壁；

(5)通过摩尔运算，将椎体减去最佳安全通道与备选通道，得到带有若干个通道的3D腰椎三维模型，在3D腰椎三维模型的头端及尾端设计梯形底座，通过3D打印技术制作上述腰椎实体模型；

(6)用朱红色橡皮泥模拟人体肌肉包裹腰椎实体模型，塑造成人体腰部大致模样，最置于塑料盒中用肉色皮革缠绕从而模拟人体皮肤，构建出高度仿真包括皮肤、肌肉、骨骼三大部分的人体腰椎模型。

7.根据权利要求6所述的一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的仿真腰椎模型的制备方法，其特征在于：CT扫描参数为：扫描层厚为0.75-1.5mm，电压120kV，获取DICOM数据。

8.根据权利要求7所述的一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的仿真腰椎模型的制备方法，其特征在于：所述CT的电流182.25mAs，扫描层厚0.625mm，矩阵512×512像素。

9.根据权利要求6所述的一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的仿真腰椎模型的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中圆柱分别通过左、右两侧椎弓根轴心，内倾角约10°-15°。

10.根据权利要求6所述的一种用于培训低年资骨科医师寻找腰椎弓根螺钉最佳入点的仿真腰椎模型的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中确定备选通道的进钉点具本步骤为通过复制、移动工具将STL格式的圆柱向上、下、左、右四个方向平移，反复操作后，最终所有备选通道覆盖椎弓根投影区，根据椎弓根区域面积大小，提供60-80个备选通道，各备选通道与椎体关节突、椎板、横突皮质相交点即为备选通道的进钉点。

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