CN116238157A - 一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，包括：获取病人椎骨的医学影像数据；根据医学影像数据对病人椎骨进行三维影像重构，获得病人椎骨的三维模型；将病人椎骨的三维模型的模型文件导出；根据根据处理后的模型文件的模型文件导入3D打印切片软件；根据导出的模型文件进行后处理，去除模型无效特征；由3D打印软件根据打印参数控制3D打印机，来打印获取椎骨培训模型；3D打印机打印的椎骨培训模型，将打印辅助支撑部分拆除后用于椎弓根置钉培训。本发明的椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，具有能够获得最接近骨质的手感的椎骨培训模型、使得医生能够获得更多的椎骨培训模型、满足培训医生动手能力培训的需求等优点。

Description

一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法
技术领域
本发明涉及一种医用椎骨的制造方法，尤其是一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法。
背景技术
自从1995年Boucher在脊柱融合手术中应用椎弓根螺钉技术以来，由于其能够为脊柱提供即刻牢固固定、矫形力量强大、可大幅提高融合率等优势，椎弓根螺钉技术在脊柱外科手术中的应用日益广泛。椎弓根螺钉技术已先后用于脊柱创伤、炎症、肿瘤、畸形和退行变性疾病等的治疗，并取得公认的良好效果，在脊柱外科手术中有着不可替代的作用。尽管置钉技术日益成熟，但对于经验较少、缺乏椎弓根置钉实际操作训练的年轻医生来说，准确置钉是具有一定的实施难度的。
脊柱外科医生广泛应用术中X线透视辅助置钉。术中X线透视可以在二维图像上显示螺钉位置，但是无法提供三维立体图像，致使准确判断螺钉位置较为困难。目前在临床上对于X线辅助技术技术评价不一。多数研究表明，脊柱畸形病例的置钉准确率明显低于非畸形病例，说明X线辅助置钉技术在此类手术中效果不尽理想。
置钉技术过程中，需要准确地确定螺钉进针点和螺钉在轴位和矢状位上的倾斜角度。尽管不断有新的辅助技术出现，仍有相当多的医生倾向于采用徒手置钉技术。徒手置钉过程中，最为关键的步骤是确定进针点。但由于无法直接看到椎弓根，不能在直视下操作，而不得不通过解剖学标志点对进针点进行推断。其中以横突、峡部和关节突关节为进针点标志的方法应用最为广泛。但由于解剖标志有时不恒定，及在翻修和畸形的病例中解剖结构不够清晰，导致某些情况下寻找进针点存在困难。据相关研究表明，随着临床经验的增长，置钉准确率提高，置钉相关并发症减少，但即使是经验丰富的医生，仍有相当比例的置钉位置不佳，从而对临床效果产生影响。同时，目前的徒手置钉技术需要很长的学习时间才能较为熟练地掌握该技术，且临床经验对置钉准确率的提高有限。
在临床实践过程当中，腰椎椎弓螺钉技术有一定的学习曲线，其技术要点多、操作较复杂，往往给医师的早期操作带来困难。传统的训练方法包括讲课、带教、尸体标本训练和术中指导等，但仍面临置钉成功率低、操作时间长和并发症多等难题。椎弓根置钉训练的学习曲线提示30次练习是椎弓根置钉的合理学习次数，但是专科培训通常存在训练时间过短、缺乏练手机会的问题。目前腰椎椎弓螺钉技术的技能培训主要有如下来源：(1)观摩有经验医生手术操作，该方法只能获得视觉上的效果，缺乏动手实践体会；(2)在大型动物上进行操作，存在着成本较高、不能反复使用的缺点；(3)在尸体上操作训练，培训效果好，但价格昂贵；(4)应用医学模具操作，使进行技能训练较普遍的方法，但骨科培训模具种类少，不能满足培训医生动手能力培训的需求。
随着增材制造技术的发展，逐渐在骨科的教学上使用3D打印技术。3D打印技术在骨科上有着得天独厚的优势，通过对于3D骨科模型直观的观察，可以使培训医生拥有较直观的观察，可以使培训医生熟悉解剖特点，提高阅片能力，了解疾病损伤机制。因此，就亟待一种能够通过3D打印来制造出能够用于腰椎椎弓螺钉技术培训的椎骨，使得年轻医生能够有更多的机会进行模拟实际置钉的操作机会，满足培训医生动手能力培训的需求。
发明内容
本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，以使得医生能够获得更多的椎骨培训模型、满足培训医生动手能力培训的需求。
本发明为解决技术问题采用以下技术方案。
本发明的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：获取病人椎骨的医学影像数据；
步骤2：根据所述医学影像数据对病人椎骨进行三维影像重构，获得病人椎骨的三维模型；
步骤3：将病人椎骨的三维模型的三维数据导出；
步骤4：根据导出的三维模型进行后处理，对模型进行部分特征的去除处理；
步骤5：根据导出的所述三维参数导入3D打印软件；
步骤6：由3D打印软件根据所述三维参数控制3D打印机，来打印获取椎骨培训模型；
步骤7：将3D打印机打印的椎骨培训模型的打印辅助支撑部分拆除掉，然后用于椎弓根置钉培训。
本发明的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法的特点也在于：
优选地，所述步骤1中，所述医学影像数据是通过CT机获得的。
优选地，所述医学影像数据是从CT机上导出的DICOM数据。
优选地，所述步骤2中，采用医学影像重构软件E-3D进行椎骨的三维影像重构。
优选地，所述步骤3中，所述三维参数是以STL文件的形式进行导出的。
优选地，所述步骤4中，所述3D打印软件为专用3D打印切片软件Jgcreat。
优选地，所述步骤4中，所述3D打印软件为专用3D打印切片软件ideaMaker。
优选地，所述步骤5中，3D打印机的材料的流量调节为70％。
优选地，所述步骤5中，3D打印的椎骨培训模型的外壳壁厚调节范围为0.2mm～0.9mm。
优选地，所述步骤5中，3D打印材料为PLA塑料。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明公开了一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，包括：获取病人椎骨的医学影像数据；根据医学影像数据对病人椎骨进行三维影像重构，获得病人椎骨的三维模型；将病人椎骨的三维模型的模型文件导出；根据根据处理后的模型文件的模型文件导入3D打印切片软件；根据导出的模型文件进行后处理，去除模型无效特征；由3D打印软件根据打印参数控制3D打印机，来打印获取椎骨培训模型；3D打印机打印的椎骨培训模型，将打印辅助支撑部分拆除后用于椎弓根置钉培训。
本发明通过调整不同壁厚和材料的流量，来对骨密质的力学性质进行模拟和仿真，其椎骨培训模型最接近骨密质的厚度手感。基于3D打印制作的椎弓根置钉模拟器能够为外科医生提供无线的操作机会，缩短了培训周期，同时还减少了对紧缺教学资源(大体标本)的需求，亦可避免使用大体标本的不足之处。
本发明的椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，具有能够获得最接近骨密质的厚度手感的椎骨培训模型、使得医生能够获得更多的椎骨培训模型、满足培训医生动手能力培训的需求等优点。
附图说明
图1为本发明的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法的椎骨的重构图一。
图2为本发明的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法的椎骨的重构图二。
图3为本发明的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法的椎骨的重构图三。
图4为本发明的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法的3D打印时的参数调整界面一。
图5为本发明的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法的3D打印时的参数调整界面二。
图6为本发明的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法的3D打印切面展示。
图7为本发明的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法的椎骨的三维模型。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图1-图7，本发明的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：获取病人椎骨的医学影像数据；
步骤2：根据所述医学影像数据对病人椎骨进行三维影像重构，获得病人椎骨的三维模型；
步骤3：将病人椎骨的三维模型的三维数据导出；
步骤4：根据导出的三维模型进行后处理，对模型进行部分特征的去除处理；
步骤5：根据导出的所述三维参数导入3D打印软件；
步骤6：由3D打印软件根据所述三维参数控制3D打印机，来打印获取椎骨培训模型；
步骤7：将3D打印机打印的椎骨培训模型的打印辅助支撑部分拆除掉，然后用于椎弓根置钉培训。
具体实施时，所述步骤1中，所述医学影像数据是通过CT机获得的。
具体实施时，所述医学影像数据是从CT机上导出的DICOM数据。
具体实施时，所述步骤2中，采用医学影像重构软件E-3D进行椎骨的三维影像重构。
本发明中，通过CT机扫描得到病人的医学影像数据，并从CT机上将医学影像数据以DICOM数据的方式进行导出。将导出的医学影像数据，再导入医学影像重构软件E-3D进行椎骨的三维影像重构。如图1-3是重构图。通过软件E-3D提供的三维影像重构技术，将病人的医学影像数据从二维的CT切片，转化为可视化的三维模型。
具体实施时，所述步骤3中，所述三维参数是以STL文件的形式进行导出的。
具体实施时，所述步骤4中，所述3D打印软件为专用3D打印切片软件Jgcreat。
具体实施时，所述步骤4中，所述3D打印软件为专用3D打印切片软件ideaMaker。
具体实施时，所述步骤5中，3D打印机的材料的流量调节为70％。
具体实施时，所述步骤5中，3D打印的椎骨培训模型的外壳壁厚调节范围为0.2mm～0.9mm。
具体实施时，所述步骤5中，3D打印材料为PLA塑料。
具体实施时，通过从E-3D软件中将三维模型的三维参数以STL文件的形式进行导出，然后将STL文件再导入Jgcreat软件/ideaMaker软件中，由Jgcreat软件/ideaMaker软件对打印参数进行控制。
经过不断的参数调整和具有丰富经验的临床医生的不断尝试，得到了类似于真实骨的打印参数。具体打印时，将材料的流量调节为70％，外壳的壁厚调节至0.4mm，填充的填充密度调节为60％-80％，其他参数按照JGcreat软件/ideaMaker软件默认属性设置。打印机器采用极光尔沃公司生产的A5S、A8、A8S、Z603S和上海复志信息技术有限公司生产的E2进行打印，材料为PLA塑料。
在脊柱当中，骨松质主要是骨质的密度比较低，相对松软，骨密质的密度比较高，较为坚硬。在传统的3D打印骨科模型中，只达到了对于椎骨模型外观的1：1还原，并未对模型所造成的力学反馈进行进一步的设计。本发明通过对于填充密度、壳的壁厚、材料的流量进行控制，模拟真实骨对于人体造成的力学反馈并对于骨松质和骨密质进行进一步的区分。
本发明通过调整不同壁厚和材料的流量，来对骨密质的力学性质进行模拟和仿真。实验过程中，分别打印了壁厚为0.4mm的不同流量的椎骨培训模型，给具有丰富置钉经验的临床医生进行手感测试。
对于壁厚为0.4mm的分别设置了材料流量为90％、80％、70％、60％、50％的对照组，经过临床医生比对发现70％流量的打印方式最接近于骨密质的力学反馈。
在力学性质相似的基础上，本发明对于骨密质的壁厚进行测试，设置了壁厚分别为0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm的对照组进行临床测试，得出壁厚为0.4mm的椎骨培训模型最接近骨密质的厚度手感。
具体实施时，本发明采用的医学三维重构软件为E-3D精准手术建模与规划软件(加密狗版)×64V6.02。但医学影像重构软件并不仅限于E-3D软件，也可使用例如3Dsolicer、mimics、3D docter等三维重构软件对病人的影像数据进行重构。
本次打印使用的切片软件为JGcreat 2.5.0操作环境为Windows 10的64位操作系统。
3D打印过程中机器采用的为深圳极光尔沃公司生产的A5S，也采用了极光尔沃的Z603S进行打印，得出了同样的置钉体验。
本发明的椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，具有以下几个方面的特点。
1、能够为外科医师的培训提供了更多的手段和机会，可使操作者产生与真实手术环境类似的感觉体验。研究证实使用椎弓根置钉训练器对提高住院医师的临床水平成效显著，且适用范围广。同时椎弓根置钉训练器能显著改善患者的治疗效果并降低手术风险，减少相关并发症的发生。
2、基于3D打印制作的椎弓根置钉模拟器能够为外科医生提供无线的操作机会，缩短了培训周期，同时还减少了对紧缺教学资源(大体标本)的需求，亦可避免使用大体标本的不足之处。
3、很好的实现“因材施教”，椎弓根置钉训练器能够根据医师的实际操作水平和能力调整训练难度，提供循序渐进的专业训练。
4、根据临床收集的数据定制独特的手术评价指标。如器械使用是否合理，有无损伤重要的组织结构。因此，使用椎弓根置钉训练器可以有效评价操作者的技术指标是否达到了考核标准。
5、方便的构建不同大小和形状的手术模型。辅助CT或MRI影像学扫描可以构建患者特异性的三维解剖结构。脊柱外科医师可以根据生成的模型决定植入物的大小和放置位置，并可进行术前的模拟操作。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1：获取病人椎骨的医学影像数据；
步骤2：根据所述医学影像数据对病人椎骨进行三维影像重构，获得病人椎骨的三维模型；
步骤3：将病人椎骨的三维模型的三维数据导出；
步骤4：根据导出的三维模型进行后处理，对模型进行部分特征的去除处理；
步骤5：根据导出的所述三维参数导入3D打印软件；
步骤6：由3D打印软件根据所述三维参数控制3D打印机，来打印获取椎骨培训模型；
步骤7：将3D打印机打印的椎骨培训模型的打印辅助支撑部分拆除掉，然后用于椎弓根置钉培训。
2.根据权利要求1所述的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，其特征是，所述步骤1中，所述医学影像数据是通过CT机获得的。
3.根据权利要求2所述的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，其特征是，所述医学影像数据是从CT机上导出的DICOM数据。
4.根据权利要求1所述的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，其特征是，所述步骤2中，采用医学影像重构软件E-3D进行椎骨的三维影像重构。
5.根据权利要求1所述的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，其特征是，所述步骤3中，所述三维参数是以STL文件的形式进行导出的。
6.根据权利要求1所述的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，其特征是，所述步骤4中，所述3D打印软件为专用3D打印切片软件Jgcreat。
7.根据权利要求1所述的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，其特征是，所述步骤4中，所述3D打印软件为专用3D打印切片软件ideaMaker。
8.根据权利要求1所述的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，其特征是，所述步骤5中，3D打印机的材料的流量调节为70％。
9.根据权利要求1所述的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，其特征是，所述步骤5中，3D打印的椎骨培训模型的外壳壁厚调节范围为0.2mm～0.9mm。
10.根据权利要求1所述的一种椎弓根置钉培训用椎骨培训模型的制造方法，其特征是，所述步骤5中，3D打印材料为PLA塑料。
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