CN112370152B - 基于虚拟复位的3d打印外导板复位固定系统及使用方法 - Google Patents

基于虚拟复位的3d打印外导板复位固定系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本公开提出了一种基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统及方法，所述系统包括：用于置入骨折远端的至少两个相互平行的第一螺纹钉、用于置入骨折近端的至少两个相互平行的第二螺纹钉，以及根据虚拟复位结果采用3D打印的方式构建的相互匹配的第一外导板和第二外导板；第一螺纹钉插入第一外导板中，第二螺纹钉插入第二外导板中，第一外导板和第二外导板用于通过连接件固定在复位后的骨折位置；本公开通过虚拟复位结合3D打印技术，构建了相互匹配的第一外导板和第二外导板，通过第一外导板和第二外导板的固定连接实现骨折复位固定，提高了固定效果，实现了复位位置的长时间保持。

Description

基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统及使用方法
技术领域
本公开涉及骨折复位固定设备技术领域，特别涉及一种基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统及使用方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
骨折复位是骨折治疗过程必不可少的一环，临床上主要有切开复位内固定术和手法整复外固定术。
两者均有其明显的优势：切开复位：复位精确，固定可靠；手法复位：无创，费用低廉。
两者均存在明显的弊端，中医正骨技术其弊端主要体现在：(1)复位操作靠术者的“手摸心会”，具有一定的盲目性，很难做到完全复位；(2)固定方法不可靠，无法很好的限制肌肉的活动，很难做到有效外固定，往往随着患肢活动而逐渐错位；(3)长期制动，无法进行相应的功能锻炼。现在医学中，骨折切开复位内固定的弊端主要体现在(1)组织与骨膜的剥离不可避免地会破坏血运，引起骨折愈合障碍；(2)切开复位时，血肿的清除过程必将干扰人体自身的修复能力，影响骨折愈合的过程与时间；(3)切开复位术使闭合性骨折人为地变为开放性骨折，增加了感染的机会；(4)切开复位手术容易引起组织粘连，特别是关节附近的粘连，影响关节功能的恢复。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统及使用方法，通过虚拟复位结合3D打印技术，构建了相互匹配的第一外导板和第二外导板，通过第一外导板和第二外导板的固定连接实现骨折复位固定，提高了固定效果，实现了复位位置的长时间保持。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统。
一种基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统，包括：用于置入骨折远端的至少两个相互平行的第一螺纹钉、用于置入骨折近端的至少两个相互平行的第二螺纹钉、以及根据虚拟复位结果采用3D打印的方式构建的相互匹配的第一外导板和第二外导板；
第一螺纹钉插入第一外导板中，第二螺纹钉插入第二外导板中，第一外导板和第二外导板用于通过连接件固定在复位后的骨折位置。
作为可能的一些实现方式，第一外导板和第二外导板由根据虚拟复位结果构建的外导板分割而成，所述第一螺纹钉和第二螺纹钉均插入到外导板中，沿分割线将外导板分为包含第一螺纹钉的第一外导板和包含第二螺纹钉的第二外导板。
作为进一步的限定，沿虚拟复位后的骨骼的轴向将外导板分割为第一外导板和第二外导板。
作为可能的一些实现方式，所述连接件通过分别通过螺钉与第一外导板和第二外导板固定连接。
本公开第二方面提供了一种基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统的使用方法。
一种基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统的使用方法，利用本公开第一方面所述的基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统，包括以下步骤：
待第一螺纹钉和第二螺纹钉置入后，获取骨折部位CT扫描图像，进行骨骼的分割和三维重建；
对骨折进行虚拟复位；
建立包含两队平行螺纹钉的外导板，沿分割线将外导板分割，每块外导板包含一队平行螺纹钉；
将两块外导板分别插入对应螺纹钉，用连接板将两者固定在复位后的骨折部位。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开所述的系统或方法，通过虚拟复位结合3D打印技术，构建了相互匹配的第一外导板和第二外导板，通过第一外导板和第二外导板的固定连接实现骨折复位后的固定，提高了固定效果，实现了复位效果的长时间保持。
2、本公开所述的系统或方法，第一外导板和第二外导板由根据虚拟复位结果构建的外导板分割而成，所述第一螺纹钉和第二螺纹钉均插入到外导板中，沿分割线将外导板分为包含第一螺纹钉的第一外导板和包含第二螺纹钉的第二外导板，因第一和第二螺纹针分别与骨折远近端形成刚性连接，而螺纹针又与导板相匹配，所以导板的运动与骨骼运动相匹配，通过第一外导板、第二外导板和连接件的配合能够实现复位后骨骼的长时间复位效果保持。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。
图1为本公开实施例1提供的虚拟复位前的骨骼示意图。
图2为本公开实施例1提供的虚拟复位后的骨骼示意图。
图3为本公开实施例1提供的第一外导板、第二外导板和连接件结构示意图。
图4为本公开实施例1提供的方法流程图。
图5为本公开实施例1提供的骨折示意图。
图6为本公开实施例1提供的远端骨复制示意图。
图7为本公开实施例1提供的虚拟复位示意图。
图8为本公开实施例1提供的复位轴示意图。
图9为本公开实施例1提供的对复位轴复制获得复制轴示意图。
图10为本公开实施例1提供的复制轴与远端骨绑定示意图。
图11为本公开实施例1提供的复位轴与近端骨绑定示意图。
图12为本公开实施例1提供的对绑定后的两个组合模型配准的示意图。
图13为本公开实施例1提供的基于复位轴和复制轴到达过牵对线对位状态的示意图。
图14为本公开实施例1提供的基于复位轴和复制轴到达回缩状态的示意图。
1-第一螺纹的；2-第二螺纹钉；3-骨折远端；4-骨折近端。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
实施例1
如背景技术中所述，基于骨折临床复位治疗的现状，迫切需要研究一种具有较高的复位精度和较少基体组织的损害，患者痛苦较轻的新型复位技术。
本公开实施例1提供了一种基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统，用于实现两段断骨复位后的固定，包括：
用于置入骨折远端3的至少两个相互平行的第一螺纹钉1，
用于置入骨折近端4的至少两个相互平行的第二螺纹钉2，
以及根据虚拟复位结果采用3D打印的方式构建的相互匹配的第一外导板和第二外导板；
第一螺纹钉插入第一外导板中，第二螺纹钉插入第二外导板中，第一外导板和第二外导板用于通过连接件固定在复位后的骨折位置。
第一外导板和第二外导板由根据虚拟复位结果构建的外导板分割而成，所述第一螺纹钉和第二螺纹钉均插入到外导板中，沿分割线将外导板分为包含第一螺纹钉的第一外导板和包含第二螺纹钉的第二外导板。
虚拟复位前后的示意图如图1和图2所示。
沿虚拟复位后的骨骼的轴向将外导板分割为第一外导板和第二外导板。
所述连接件通过分别通过螺钉与第一外导板和第二外导板固定连接，连接件如图3所示。
采用规划的虚拟路径进行虚拟复位，根据虚拟复位的结构3D打印得到外导板，主要用于实现两段断骨的复位，如图4所示，以不带螺纹钉时为例，包括如下步骤：
步骤1：获取骨折断骨的CT扫描图像，对断骨远端和断骨近端进行分割建模，分别获得远端骨模型和近端骨模型；
步骤2：对远端骨模型进行复制，获得远端骨复制模型；
步骤3：移动远端骨复制模型，将远端骨复制模型与近端骨模型虚拟复位；
步骤4：构建具有定位点的复位轴及复位轴的复制轴，所述复位轴的长度不小于两个断骨中最长的骨折段；
步骤5：按照定位点位置相同，将复位轴的复制轴与远端骨模型进行绑定，将复位轴与步骤3中获得的复位组合模型进行绑定；
步骤6：根据复位轴及其复制轴上的定位点，获取两个断骨的复位轨迹。
本实施例根据设置具有定位点的复位轴，将远端和近端模型之间的匹配转换为复位轴之间的匹配，能够得到更适合临床的复位轨迹，能够实现快速精准复位，避免复位过程中的碰撞，减少病患的二次伤害。
步骤1中，获取骨折断骨的CT扫描图像，对断骨远端和断骨近端进行分割建模，分别获得远端骨模型和近端骨模型；
其中，可选的，CT扫描图像可以通过CT扫描设备获取，具体方法可以如下：
(1)对骨折部位的断骨分别进行固定，使得断骨不发生相对移动；
进行根据负重情况，在骨折近端和远端各打入合适数量、长度和直径的螺纹针；采用断骨的外固定装置固定两段断骨，使骨折近端和远端不会发生相对移动；
(2)将骨骼外固定装置和断骨放入CT扫描机中进行扫描，得到其CT图层；
可选的，获取数据后，可以采用逆向建模方法，进行重建获得远端骨和近端骨的三维数字化模型作为远端骨和近端骨虚拟模型，如图5所示，为在软件界面中显示的虚拟模型，本实施例以图中位置上端的断骨为近端骨，图示中下端的断骨为远端骨为例，对骨折复位规划进行说明。
步骤2中，对远端骨模型进行复制，获得远端骨复制模型；
步骤3中，移动远端骨复制模型，将远端骨复制模型与近端骨模型虚拟复位，获得复位组合模型；
具体的，如图6-7所示，生成远端骨复制模型后，保持远端骨模型不动，将远端骨复制模型与近端骨模型进行虚拟复位，虚拟复位的方法可以采用下面的方法。
可选的，可以采用自动复位，计算机自动虚拟复位：基于远端骨复制模型与近端骨模型的骨折断面进行配准；具体的，识别骨折断面的坐标数据，根据坐标数据识别骨折断面的形状信息，移动远端骨复制模型使得其骨折断面形状与近端骨模型的骨折断面相吻合。
可选的，可以采用手动虚拟复位：接收针对远端骨复制模型的虚拟复位操作，使远端骨复制模型与近端骨模型实现拼接，得到两个断骨的虚拟复位模型。作为一种实施方式，可借助三维建模软件，对远端骨复制模型执行拖动、旋转等操作，使远端骨复制模型与近端模型的断面实现拼接。
上述虚拟复位，需要根据虚拟复位的效果进行多次调整，如果将上述远端骨复制模型的虚拟复位路径作为骨折复位规划路径，机械臂跟随虚拟复位路径进行复位的过程中会出现多次碰撞，造成患者的二次伤害。本实施例构建了复位轴，基于复位轴将复位过程划分为多个阶段，使得复位系统能够分阶段依次按照该阶段的轨迹进行复位，具有临床意义。
步骤4中，构建具有定位点的复位轴及复位轴的复制轴，所述复位轴的长度大于两个断骨中最长的骨折段；
为便于操作，可以将复位轴及复制轴设置为与骨折断骨平行。
具体地，所述复位轴可以为圆柱体模型，所述定位点为圆球或者圆柱体模型。如图8-9所示，图中圆点即圆球模型。
步骤5中，将复位轴的复制轴与远端骨模型进行绑定，获得远端骨组合体；将复位轴与步骤3中获得的复位组合模型进行绑定，获得复位组合体；复位轴连接远端骨模型的定位点位置与复制轴连接复位组合模型的定位点位置相同。
绑定过程如图10-11所示，复位轴连接远端骨模型的定位点位置与复制轴连接复位组合模型的定位点位置相同，即为两个轴的定位点连接远端骨模型以及远端骨复制模型的位置为对应相同的位置。
步骤6中，根据复位轴及其复制轴上的定位点，获取两个断骨的复位轨迹。
具体的，可以将远端骨组合体进行移动，使得复位轴与其复制轴完全重合操作，重合操作过程中将复制轴的移动轨迹作为骨折复位轨迹输出，机械臂操作按照骨折复位轨迹进行移动，实现快速骨折复位。实现了将远端模型到近端模型的轨迹规划问题，转换为复制轴到复位轴的轨迹规划问题。
本实施例中，为实现减少骨折复位过程中的二次伤害，步骤6中可以采用过牵、对线、对位和回缩的四步复位法寻求断骨远端的复位路径。如图12-14所示，具体包括：
步骤6.1、过牵：以复位轴为基准，移动复制轴，使得两轴平行并在轴向位置错开设定的距离，获得断骨的远端模型轴向过牵的移动轨迹。
可选的，两轴平行后以两轴上的定位点的距离作为错开的距离，该错开距离可以设置为0.5-1cm，该步骤复制轴的移动轨迹输出至机械臂动作，对远端骨进行过牵操作，使得远端骨与近端骨间隔设定的距离。
步骤6.2、对线：移动复制轴，使得复位轴的轴线和复制轴的轴线重合，获得远端模型横向移动的对线轨迹。
具体的，以牵拉方向为轴向动作，与轴向垂直的方向为横向动作，该步骤复制轴的移动轨迹输出至机械臂动作，对远端骨进行对线操作，即产生横向移动操作，使得远端骨与近端骨在同一轴线上。
步骤6.3、对位：移动复制轴，使得复位轴的定位点和复制轴的定位点的连线与复制轴的轴线平行，获得远端模型横向旋转的对位轨迹。
具体的，该步骤复制轴的移动轨迹输出至机械臂动作，对远端骨进行对位操作，即产生横向旋转操作，使得远端骨与近端骨的断面相对。由于复位轴与复位组合模型绑定，其中复位组合模型是远端骨复制模型与近端骨模型进行复位后的模型，所以，按照复位轴的位置将复制轴移动至与复位轴重合的位置，可以实现断面配合的骨折复位。
步骤6.4、回缩：轴向移动复制轴，使得复位轴的定位点与复制轴的定位点重合，获得复制轴的轴向回缩轨迹。
具体的，该步骤复制轴的移动轨迹输出至机械臂动作，对远端骨进行回缩操作，即产生轴向靠近操作，使得远端骨与近端骨的断面重合。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统，
包括：用于置入骨折远端的至少两个相互平行的第一螺纹钉、用于置入骨折近端的至少两个相互平行的第二螺纹钉，以及根据虚拟复位结果采用3D打印的方式构建的相互匹配的第一外导板和第二外导板；
第一螺纹钉插入第一外导板中，第二螺纹钉插入第二外导板中，第一外导板和第二外导板用于通过连接件固定在复位后的骨折位置；
其特征在于，采用规划的虚拟路径进行虚拟复位，虚拟路径规划具体为：
获取骨折断骨的CT扫描图像，分割建模获得远端骨模型和近端骨模型；
对远端骨模型进行复制，获得远端骨复制模型；
移动远端骨复制模型，将远端骨复制模型与近端骨模型虚拟复位获得复位组合模型；
构建具有定位点的复位轴及复位轴的复制轴；
按照定位点位置相同，将复位轴的复制轴与远端骨模型进行绑定，将复位轴与复位组合模型进行绑定；
根据复位轴及其复制轴上的定位点，获取两个断骨的复位轨迹；
所述获取两个断骨的复位轨迹的方法，具体为：
过牵：以复位轴为基准，移动复制轴，使得两轴平行并在轴向位置错开设定的距离，获得断骨的远端模型轴向过牵的移动轨迹；
对线：移动复制轴，使得复位轴的轴线和复制轴的轴线重合，获得远端模型横向移动的对线轨迹；
对位：移动复制轴，使得复位轴的定位点和复制轴的定位点的连线与复制轴的轴线平行，获得远端模型横向旋转的对位轨迹；
回缩：轴向移动复制轴，使得复位轴的定位点与复制轴的定位点重合，获得复制轴的轴向回缩轨迹。
2.如权利要求1所述的基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统，其特征在于，第一外导板和第二外导板由根据虚拟复位结果构建的外导板分割而成，所述第一螺纹钉和第二螺纹钉均插入到外导板中，沿分割线将外导板分为包含第一螺纹钉的第一外导板和包含第二螺纹钉的第二外导板。
3.如权利要求2所述的基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统，其特征在于，沿虚拟复位后的骨骼的轴向将外导板分割为第一外导板和第二外导板。
4.如权利要求1所述的基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统，其特征在于，所述连接件通过分别通过螺钉与第一外导板和第二外导板固定连接。
5.如权利要求1所述的基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统，其特征在于，
虚拟复位的方法采用自动复位，计算机自动虚拟复位：基于远端骨复制模型与近端骨模型的骨折断面进行配准。
6.如权利要求1所述的基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统，其特征在于，虚拟复位的方法采用手动虚拟复位：接收针对远端骨复制模型的虚拟复位操作，使远端骨复制模型与近端骨模型实现拼接，得到两个断骨的虚拟复位模型。
7.如权利要求1所述的基于虚拟复位的3D打印外导板复位固定系统，其特征在于，所述复位轴为圆柱体模型，所述定位点为圆球或者圆柱体模型；
或/和,所述复位轴的长度不小于两个断骨中最长的骨折段。
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