CN117202863A - 定制切割和螺杆导向器及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于医学领域的骨科手术的处理放射屏幕显示器的基于软件的切割(截骨术)测量导航系统和定制可调节角度的切割和螺杆导向器(7),所述系统用于检测膝关节内翻和外翻畸形的胫骨高位截骨术(HTO)的骨曲线,所述导向器通过对导航测量的值进行建模并将其传输到三维打印机来获得。
Description
技术领域
本发明涉及用于医学领域的骨科手术的处理基于网络的放射屏幕显示器的切割测量导航系统和定制切割和拧紧装置,所述系统用于检测膝关节内翻和外翻畸形的胫骨高位截骨术(HTO)的骨曲线,所述装置通过对导航测量的值进行建模并将其传输到三维打印机来获得。
背景技术
在现有技术中,所述骨曲线检测是在X射线胶片上手动测量的,并且在手术期间借助引线和标记在骨上进行切口,并进行手动测量以进行校正。为此目的开发的最接近的技术是由法国NewClip公司开发的名为PSI Activmotion(https://newcliptechnics.com/contact/)的一次性切割导向器。NewClip公司采用的这项技术中,通过断层扫描来进行建模,通过常规注射成型方法来进行定制导向器的设计。定制的定义是指通过断层扫描进行解剖导向器的建模。在这方面,其没有基于软件的系统,该系统通过图像处理来测量角度畸形以单独为每个患者制定计划。
在现有技术中,需要新的开发工作来允许处理X射线、计算机化X射线、断层扫描、三维断层扫描图像并为每个患者生成定制的导向器。
当检索相关技术时,发现有申请号为CN111481259A的中国专利。本申请公开了一种截骨术导向板的制备方法。根据模型,获得了患者骨组织的磁共振成像数据,将磁共振成像数据传输至三维仿真软件,以重新生成骨组织的三维模型。然而,所述系统并未公开定制过程。
因此,由于现有解决方案的上述缺点和不足,有必要对相关技术进行开发。
发明内容
本发明涉及处理基于网络的放射屏幕显示器的切割测量导航系统及定制切割和螺杆导向器,所述系统用于检测骨曲线,所述切割和螺杆导向器通过对导航测量的值进行建模而获得,满足了上述需求、消除了所有缺点并提供了一些额外的优点。
本发明的主要目的在于开发一种技术,所述技术从放射图像中测量患者的骨角畸形、处理从中得到的数据并能够在三维打印机中打印出定制骨切割和螺杆导向器。通过本发明,能够为每位患者提供单独的计划和测量系统,并从系统提供定制设计,因而可以获得根据患者数据建模的3维打印骨切割导向器和外部接骨板螺杆导向系统,以矫正角度畸形。本发明的新颖之处在于提供无故障病例,无需使用传统的手术导向器,而是具有更好的和定制的矫正和切割效果。
本发明的另一目的在于提高一种系统,以将标准畸形测量技术引入数字环境、测量股骨和胫骨的解剖轴、定义内翻或外翻畸形,并自动计算矫正所需的角度。根据计算出来的角度,提供了3维切割导向器和外部种植螺杆导向器。
根据本发明,在安装到软件中的放射图像图片上,在诸如open CV、Phyton的开源编码软件中对解剖轴和机械轴进行处理,并且通过标记方法和符号进行自动计算后,在软件中将患者的骨角畸形定义为内翻或外翻畸形,然后可以记录数据。发现与提供了矫正的数据一致的切割角度,并进行相应的切割导向器的设计。
在本发明中,通过软件获得的数据最好在SolidWorks程序中进行建模并根据个人测量数据进行处理,然后传输到3维打印机;定制的三维切割和螺杆导向器使医生能够以所需的角度和尺寸拧入所需品牌的植入物。
在手术中应用技术切割导向器便于开放手术方法。本发明提到的电镀(植入应用)阶段,将皮肤完全打开,并提供螺孔,然后进行电镀。在这方面,本发明最显著的特征是导向器的远端部分(下部部分)能够将植入板作为外部导向器固定到患者身上,并在患者皮肤上形成最小的切口。
为了解决相关技术中存在的问题并实现上述目的,本发明提高一种方法,以在出现膝关节内翻和外翻畸形的胫骨高位截骨手术的电镀方法中检测骨曲线以矫正骨切口,并产生个人定制的切割和螺杆导向器,所述方法包括以下过程步骤:
·将患者的X射线或断层扫描胶片或所有jpeg格式的放射图像传输到具有检测骨曲线的软件的系统;
·在具有所述软件的系统中测量股骨和胫骨的机械和解剖轴、诊断内翻和外翻畸形并发现矫正所需的角度;
·根据个人基础对获得的结果进行建模,并通过3维打印机以医学生物相容性材料来复制切割和螺杆导向器。
通过下面给出的附图以及参照附图的详细描述,将更好地理解本发明的结构和特征以及所有优点。因此,评估应基于附图并须考虑到详细的说明内容。
附图说明
图1示出了借助图1A和图1B中为股骨绘制的切线来找到股骨头中心的过程。
图2示出了借助图2A和图2B中为股骨绘制的正方形和对角线来找到股骨头中心的过程。
图3示出了找到股骨远端关节面中心的过程,如图3A和图3B所示。
图4示出了找到股骨解剖轴和机械轴的过程,如图4A和图4B所示。
图5示出了找到胫骨近端关节面中心的过程,如图5A和图5B所示。
图6示出了找到胫骨远端关节面中心的过程,如图6A和图6B所示。
图7示出了找到胫骨远端关节面中心的过程,如图7A和图7B所示。
图8示出了找到胫骨轴及其相关联部分的过程,如图8A、图8B和图8C所示。
图9示出了从不同角度观察近端导向部分的视图。
图10示出了从不同角度观察远端导向部分的视图。
图11是导向螺杆的全视图。
图12示出了胫骨上的切口和螺钉导向器的全视图。
图13是导向螺杆的细节图。
图14示出了额状面中的股骨的解剖轴和机械轴。
图15示出了额状面中的胫骨远端关节定向线和额状面中的胫骨近端关节定向线的绘制,分别如图15A和图15B所示。
图16示出了额状面中的股骨远端关节定向线。
图17示出了结合股骨头中心与大转子头的连线和股骨头中心到股骨颈中点的连线,分别如图17A和图17B所示。
图18示出了额状面中的股骨近端关节定向线与股骨机械轴和股骨解剖轴之间的关系,分别如图18A和图18B所示。
图19示出了额状面中的股骨近端关节定向线与股骨解剖轴之间的关系。
图20示出了额状面中的股骨远端关节定向线与股骨机械轴和股骨解剖轴之间的关系,分别如图20A和图20B所示。
图21示出了胫骨近端关节定向线与胫骨解剖轴和机械轴之间的关系。
图22示出了额状面中的胫骨远端关节定向线与胫骨解剖轴和机械轴之间的关系。
图23示出了额状面中的下肢的机械轴的标记和计算的视图。
图24示出了额状面中的下肢的机械轴的标记和计算的视图。
图25示出了额状面中的下肢的机械轴的标记和计算的视图。
图26示出了绘制mLDFA角度以检测额状面中的股骨是否发生畸形的视图。
图27示出了绘制额状面中的股骨发生内翻或外翻畸形的视图。
图28示出了绘制MPTA角度以检测额状面中的胫骨是否发生畸形的视图。
图29示出了对于额状面中胫骨畸形方面下如果MPTA中的角度小于85度时的胫骨内翻畸形和如果MPTA中的角度大于90度时的胫骨外翻畸形,分别如图29A和图29B所示。
图30示出了绘制JLCA角度以检测额状面中的膝关节是否发生畸形的视图。
对应额状面中的膝关节畸形方面,图31示出了如果JLCA中的角度大于2度时的膝关节外翻畸形和如果JLCA中的角度大于2度且位于外侧时的膝关节内侧和内翻畸形,分别如图31A和图31B所示。
图32示出了放置的植入物的位置。
附图标记
1-导向孔
2-板壳
3-凯惜纳线导向孔
4-胫骨支撑瓣
5-锁定孔
6-个人定制可调节角度的切割区域
7-切割和螺杆导向器
8-近端部分
9-远端部分
10-近端导向部分
11-远端导向部分
12-导向螺杆
13-板。
具体实施例
在该详细描述中,已经以不形成任何限制性效果并且仅为了更好地理解问题的目的描述了本发明的优选实施例。
本发明涉及用于医学领域的骨科手术的处理放射屏幕显示器的基于软件的切割测量导航系统和定制可调节角度的切割和螺杆导向器(7),所述系统用于检测膝关节内翻和外翻畸形的胫骨高位截骨术(HTO)的骨曲线,所述导向器通过对导航测量的值进行建模并将其传输到三维打印机来获得。
在胫骨高位截骨术(HTO-高位胫骨截骨术)手术用于治疗膝关节内翻和外翻畸形的植入方法中,外科医生将患者的X射线或断层扫描胶片传输到自身具有软件并对骨曲线进行检测的导航系统,以检测骨骼中的曲线来对骨骼进行恢复截骨术。然后,由具有所述软件的导航系统进行引导,以在添加至系统的X射线或断层扫描胶片上进行标记。因此,可以提前计划患者骨骼的截骨术和畸形。为了无障碍地进行截骨术和恢复手术,利用获得的数据从3维打印机用生物相容性材料来打印出切割和螺杆导向器(7)。
在基于所述软件的系统的工作原理中,基于软件中的放射图像来计算股骨和胫骨的机械轴和解剖轴。需要找出股骨的近端和远端关节中心来绘制股骨机械轴。对于这两条彼此平行的切线,是从股骨的顶部和底部进行绘制的(如图1A和图1B所示)。将股骨头切线的接触点(a点和b点)进行合并。这样,就可以求出圆的直径。然后从内侧绘制出一条切线,将其中切线与股骨头的接触点(如图1B中的c点所示)的连线与直径相切的点检测为股骨头中心(M)。将两条切线从内侧和外侧垂直添加到图1中绘制的两条切线,从而使图形成为正方形(如图2A所示)。绘制出正方形的对角线,并找到中心(如图2B所示)。
股骨远端关节面中心可通过两种方式找到。
1.可拍摄股骨凹部的顶点(如图3A所示)。股骨凹部与股骨远端关节面的中心相匹配。
2.测量股骨软骨外缘距离,并取中点。该点大约与股骨凹部的顶点相匹配(如图3B所示)。
找到股骨机械轴的股骨近端和远端关节面中心点后,连接这两点,绘制出股骨的机械轴(如图4A所示)。
股骨解剖轴:股骨解剖轴则是通过结合从两个或三个点垂直绘制到股骨骨干的连线的中点来绘制出的(如图4B所示)。
下面提到的过程在软件中进行处理,并通过在X射线图像上提供参考标记和符号来借助软件进行计算。
需要找出胫骨的近端和远端关节中心来绘制胫骨机械轴。胫骨近端关节面中心可通过两种方式找到。
1.可测量两个胫骨棘(结节)之间的距离(如图5A所示)。
2.可取胫骨平台的中点(如图5B所示)。为此,从内部胫骨平台结束点到关节面来绘制一条连线。类似地,从外部胫骨平台结束点绘制出第二条连线。这些连线之间的距离垂直合并并显示中点中心。
胫骨远端关节面中心可通过四种方式找到。
1.找到远端胫骨关节面中点(如图6A所示)。
2.找到胫骨和腓骨的中点(如图6B所示)。
3.找到软组织的中点(如图7A所示)。
4.找到距骨的中点(如图7B所示)。图7B中给出的距骨房室的中点也对应于同一点。(距骨上关节面的中点也表示同一点。)
将胫骨近端和远端关节面中点合并,绘制出胫骨机械轴(如图8A所示)。
对于胫骨解剖轴,从两个或三个点绘制到胫骨骨干的连线的中点,并将这些点合并起来绘制出胫骨解剖轴(如图8B所示)。图8示出了图8A中的机械轴、图8B中的解剖轴、图8C中的胫骨解剖轴(深色箭头)和机械轴(浅色箭头)之间的关系。
胫骨的解剖和机械轴之间的关系
机械轴是一条平滑的线。由于解剖轴是骨干中点的连线,因此解剖轴可以是曲线(如矢状平面中股骨的解剖轴)。胫骨的解剖轴和机械轴在额状面上彼此平行,并且它们之间只有几毫米。两条轴之间的角度为0度。因此,实际上解剖轴和机械轴被认为是相同的(如图8C所示)。股骨的解剖轴和机械轴在额状面上是不同的。两条轴之间的角度平均为7度。通常可能会出现2度的偏差(如图14所示)。
胫骨关节定向线
为了在额状面上绘制胫骨远端关节定向线,以远端胫骨腱下线为基准(如图15A所示)。为了在额状面上绘制胫骨近端关节定向线,在软件中合并了两个胫骨平台腱下线的凹点(如图15B所示)。图15A示出了绘制额状面中的胫骨远端关节定向线。图15B示出了绘制额状面中的胫骨近端关节定向线。
股骨关节定向线
为了在额状面上绘制股骨远端关节定向线,以股骨远端腱下线为基准并在软件中进行绘制(如图16所示)。
两条线用于额状面中股骨近端关节的定向。
1.在软件中绘制了将大转子顶点与股骨头中心合并的连线(如图17A所示)。
2.在软件中绘制了将股骨颈中点与股骨头中心合并的连线(如图17B所示)。
关节定向线与机械和解剖轴之间的关系
为显示这些关系而测量的角度通常用4个大写字母来定义。首字母定义角度的方向。如果角度位于额状面,则角度方向为外侧或内侧。如果在矢状面,则其是前部或后部。因此,首字母是L、M、A或P之一,它们是方向词的首字母。第二个字母表示角度是在骨骼的近端还是远端。第二个字母如果在近端则为P,如果在远端则为D。第三个字母表示角度所属的位置(胫骨、股骨)。如果角度所属胫骨,第三个字母则是T,如果所属股骨,则是F。第四个字母都是相同的,是术语“角度”的首字母,即A。不同的是,小写字母a或m写在4个大写字母的“角度”术语之前,a表示根据解剖轴绘制的角度,m表示根据机械轴绘制的角度。
1.mLPFA:股骨头中心和转子顶部的连线与股骨外侧机械轴平均成90度角(最小85度,最大90度)。这个角度称为外侧股骨前交叉韧带角(mLPFA)(如图18A所示)。其显示在基于软件的系统的监视器上。
2.aMPFA:股骨头中心和转子顶部的连线与解剖轴平均成84度角(最小80度,最大89度)。这个角度称为内侧股骨前角aMPFA(如图18B所示)。
3.aMNSA:股骨头中心和股骨颈中点的连线与解剖轴平均成130度角(最小124度,最大136度)。该角度称为内侧颈轴角aMNSA(如图19所示)。
4.mLDFA和aLDFA:远端股骨关节定向线与股骨外侧机械轴平均成87度角(最小85度,最大90度)(如图20A所示)。该角度称为外侧远端股骨角(mLDFA)。该连线与解剖轴平均成81度角(最小79度,最大83度)(如图20A所示)。该角度称为解剖外侧远端股骨角(aLDFA)。其基于软件的系统中进行绘制和测量。
5.mMPTA:近端胫骨关节定向线与胫骨内侧机械轴平均成87度角(最小85度,最大90度)(如图21所示)。该角度称为胫骨前内侧角(mMPTA)。其基于软件的系统中进行计算并显示在监视器上。该连线与内侧的解剖轴成同度角。因为假设胫骨的解剖学和机械学效应是相同的。
6.mLDTA:远端胫骨关节定向线与胫骨外侧解剖和机械轴平均成89度角(最小86度,最大92度)(如图22所示)。该角度称为外侧远端胫骨角(mLDTA)。
额状面错位测试(MAT)
当遇到有畸形疑似的病例时,首先要问的是“有没有畸形?”。有些畸形是确定无疑的,没有任何怀疑的余地。大多数畸形只有在进行所需测量后才能被识别。无论畸形是否确定,都会常规进行畸形测量(错位测试)。因为获得的数据将用于后续过程的处理。
错位测试1
该测试的目的是回答“是否有畸形”的问题。找到股骨头和脚踝的中心。连接这两个点并绘制出下肢的机械轴。这条连线平均从内侧8±7毫米处穿过(如图23所示)。
下肢机械轴从内侧穿过膝关节中心15毫米视为正常。然而,如果机械轴穿过超过15毫米或穿过外侧(无论距离多远),则称为机械轴偏差(MAD)。如果MAD位于内侧且大于15mm,则存在内翻畸形(如图24所示)。如果下肢机械轴从外侧穿过膝关节中心(数量并不重要),则存在外翻畸形(如图25所示)。是否存在畸形是在基于软件的系统中进行估计的并显示在监视器上。
错位测试2
在该测试中,搜索“畸形出现在哪,是否在股骨上?”问题的答案。为找寻该问题的答案,则测量外侧远端股骨角(mLDFA)。将股骨头中心与股骨远端关节面中心合并,绘制出股骨机械轴。然后合并股骨髁最低软骨下点并绘制出股骨远端定向线。这两条连线在股骨外侧(mLDFA)上形成一个角度。该角度一般为87.5±2.5度(如图26所示)。如果这个角度大于90度,则股骨存在畸形,提示内翻畸形。如果角度小于85度,则股骨存在外翻畸形(如图27所示)。其基于软件的系统中进行标记和计算。
错位测试3
在该测试中,搜索“畸形出现在哪,是否在胫骨上?”问题的答案。为找寻该问题的答案,则测量胫骨前内侧角(MPTA)。将胫骨近端关节面中心与胫骨远端关节面中心合并,绘制出胫骨机械轴。然后将胫骨平台最低腱下点组合起来,绘制出近端胫骨定向线,这两条连线在胫骨内侧(MPTA)上形成一个角度。该角度一般为87.5±2.5度(如图28所示)。其基于软件的系统中进行标记和计算。如果这个角度大于85度,则胫骨存在畸形,提示内翻畸形(如图29A所示)。如果这个角度大于90度,则胫骨存在畸形,提示外翻畸形(如图29B所示)。其基于软件的系统中进行标记和计算。
错位测试4
在该测试中,搜索“畸形出现在哪,是否在膝关节上?”问题的答案。JLCA(关节线交角)是在股骨和胫骨膝关节线之间进行测量的,可以回答这个问题。合并股骨髁最低软骨下点并绘制出股骨远端定向线。然后将胫骨平台最低腱下点合并并绘制出近端胫骨定向线,这两条连线彼此平行。它们之间最多可以有2度的角度。角度大于2度表示膝关节畸形(如图30所示)。如果该角度大于2度且位于内侧,则膝关节存在外翻畸形(如图31A所示)。如果JLCA角大于2度且在外侧,膝关节存在内翻畸形(如图31B所示)。其基于软件的系统中进行标记和计算。
根据基于软件的系统测量和计算的角度以及选定的板材,借助3维打印获得定制的YTO(高位胫骨截骨术)和外部螺钉导向器。
胫骨支撑瓣(4)是瓣式支撑结构,用于在手术期间将切割和螺钉导向器(7)固定在胫骨或皮肤上。类似地,凯惜纳线导向孔(3)是用于将切割和螺钉导向器(7)固定到所述骨骼上的孔。在刮擦掉胫骨所需的肌肉和组织部分(如图12所示)后,优选借助引线或销钉来通过胫骨支撑瓣(4)和凯惜纳线导向孔(3)将其固定到所述骨骼上。而且,作为切割和螺杆导向器(7)上部的近端导向部分(10)通过导向孔(1)固定到骨骼上。
可根据个人情况调整的切割区域(6)是锯件进入切口和用于切割骨头(截骨术)的螺杆导向器(7)的区域。根据基于软件的系统中测量的角度,该区域呈有角度的形式。锯件打印出的个人定制角度以骨切割通道指定的角度进行截骨术。在这里,医生通过在软件中标记来决定开放和闭合混合截骨术。因此,按照基于软件的系统中计划的角度进行切割。
近端导向部分(10)和远端导向部分(11)通过锁定孔(5)借助三维导向螺杆(12)进行彼此连接。所述锁紧孔(5)为连接切割与螺杆导向器(7)的近端导向部分(10)和远端导向部分(11)的螺孔。
将切割和螺杆导向器(7)的近端导向部分(10)从固定位置拆下。将根据所需品牌和型号设计的板件(13)(植入物)放置在切割和螺杆导向器(7)的近端导向部分(10)中的板壳(2)中并固定到骨骼上。在将植入物固定到骨骼的过程中,使用胫骨支撑瓣(4)和凯惜纳线导向孔(3)。在这方面,植入物壳体(2)是截骨术后植入物将安置在其中的结构。因此,为3维打印机操作者设计的切割和螺杆导向器(7)用作外部螺杆导向器。
所述切割和螺杆导向器(7)通过连接近端导向部分(10)和远端导向部分(11)并且将板件(13)(植入物)放置在其中而获得。在这方面,近端导向部分(10)和远端导向部分(11)包括板件(植入物)壳体(2),便于将植入物放置在其中。
在将植入物(13)从打开进行切割的位置放置并在进行切割并固定到骨骼上之后,将植入物的下端(远端)通过骨膜皮下放置到骨骼上。将导向螺杆(12)穿过位于切割和螺杆导向器(7)中的锁定孔(5),并从导向孔(1)和锁定孔(5)标记皮肤,以固定切割和螺杆导向器(7),并且使用手术刀制造小切口。首先,使用钻头在骨骼上钻孔,通过螺杆将植入物固定在切口中。优选使用螺丝刀或类似材料将导向螺杆(12)从导向孔(1)固定到植入物(13)和骨骼中。切割和螺杆导向器(7)的下方尖端部分用作外部导向器,以允许通过远端导向部分(11)微创方法进行植入。
由于位于切口上的导向孔(1)和螺杆导向器(7)与植入物(13)孔位于同一位置,因此首先借助近端导向部分(10)来将植入物(13)拧到上部。借助基于软件的系统中测量的恢复角度的角度调整装置,将其以所需的角度带到骨骼上,并以远端导向部分(11)保持在切割和
螺杆导向器(7)上的方式放置。如上所述,植入物的远端部分通过导向孔(1)固定在骨骼上,并通过最小程度的切口(微创手术)皮肤完成手术。
因此,从用于骨骼测量和切割的所述基于软件的系统获得的数据优选地在基于网络的软件中进行处理,接收到的数据优选地在实体工作程序中根据个人情况进行建模并传送到3维打印机。专为3维打印机量身设计的切割螺杆导向器(7)包括两个基本部分,即近端导向部分(10)和远端导向部分(11)。近端导向部分(10)固定到骨骼上,并且将骨骼切割,且螺杆导向器(7)以个人定制的角度进行生产制造。与远端导向部分(119)合并后,将YTO板(植入物)放入切割和螺杆导向器(7)中,并且医生将骨骼调整到他/她测量的角度,近端导向部分(10)和远端导向部分(11)、切割和螺杆导向器(7)通过切割和螺杆导向器(7)上的螺孔而从外部固定板件(以微创方式固定在皮肤上)。
Claims (8)
1.一种在治疗膝关节内翻和外翻畸形的胫骨高位截骨术植入方法中检测骨曲线以矫正骨切口并产生个性化切割和螺杆导向器的方法(7),包括以下处理步骤:
·将患者的X射线或断层扫描胶片或所有jpeg格式的放射图像传输到具有检测骨曲线的软件的系统;
·在具有所述软件的系统中测量股骨和胫骨的机械和解剖轴、诊断内翻和外翻畸形并计算矫正所需的角度;
·根据个人基础对获得的结果进行建模,并通过3维打印机以医学生物相容性材料来复制切割和螺杆导向器(7)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述方法包括通过SolidWorks程序进行所述建模的处理步骤。
3.一种通过根据权利要求1所述的方法获得的切割和螺杆导向器(7)。
4.根据权利要求3所述的切割和螺杆导向器(7),其中,所述切割和螺杆导向器包括近端导向部分(10)和远端导向部分(11)。
5.根据权利要求3所述的切割和螺杆导向器(7),其中,所述切割和螺杆导向器包括瓣形胫骨支撑瓣(4),以在手术期间将切割和螺杆导向器(7)固定到胫骨或皮肤上。
6.根据权利要求3所述的切割和螺杆导向器(7),其中,所述切割和螺杆导向器包括凯惜纳线导向孔(3),以将切割和螺杆导向器(7)固定到骨头上。
7.根据权利要求3所述的切割和螺杆导向器(7),其中,所述切割和螺杆导向器包括具有根据个人情况可调节角度的切割区域(6),锯件在所述切割区域中进入切割和螺杆导向器(7)以切割骨头(截骨术),所述角度基于在基于软件的系统中测量的角度来设定。
8.根据权利要求4所述的切割和螺杆导向器(7),其中,包括将板(植入物)(13)放置在近端导向部分(10)和远端导向部分(11)中的板孔(2)。
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