一種個性化髕骨骨折手術導航模板的設計和使用方法技術

一種個性化髕骨骨折手術導航模板的設計和使用方法，用于提高粉碎髕骨的骨折復位質量與效率；方法是將雙側髕骨CT掃描數據以導入計算機，分別建立雙側髕骨的3D模型，將健側髕骨3D模型鏡像，輔助患側髕骨虛擬復位，并在此虛擬復位了的髕骨軟骨下骨3D模型的基礎上，通過偏移髕骨后方骨面使之增厚達軟骨面厚度，形成軟骨表面形態3D模型；又以此人造的虛擬軟骨面3D模型為基礎，通過加厚方式使髕骨的軟骨面增厚至所述手術導航模板所需厚度，最后通過布爾減方式減去髕骨和所述虛擬軟骨面，完成所述導航模板的設計；對于有移位的髕骨粉碎性骨折，需分別設計上、下半塊髕骨復位導航模板以及全髕骨復位導航模板，并用3D打印機打印成型，消毒后用于手術中。

【技術實現步驟摘要】
一種個性化髕骨骨折手術導航模板的設計和使用方法
本專利技術屬于醫療器械領域，尤其涉及一種個性化髕骨骨折手術導航模板的設計和使用方法。
技術介紹
3D打印手術導航模板現已較為廣泛地應用于骨科臨床手術中，用于引導定位、鉆孔、截骨、復位等手術操作；其引導的基礎是在骨的表面建立與骨面具有唯一貼合面的蒙板，以此蒙板為作為定位或復位的基準，或在此蒙板上建立鉆孔或截骨的引導裝置；因此，蒙板的精準度是手術導航模板應用的基礎。以骨面為貼合面的蒙板通常可以做到貼合面與術中所見真實骨面的重疊吻合，獲得精準的貼合；但可直視的髕骨前表面覆蓋著厚度因人而異的股四頭肌腱膜等軟組織，而這些軟組織術中必須保護，不能像其它部位一樣被剝離而充分顯露出髕骨的前表面，致使根據CT掃描數據建立的髕骨3D數字模型所設計的手術導航模板的蒙板無法與髕骨前方的軟組織貼合，髕骨粉碎性骨折只能依然使用最原始的徒手技術進行復位與固定了。
技術實現思路
為此，本專利技術提供一種個性化髕骨骨折手術導航模板的設計和使用方法，將雙側髕骨CT掃描數據導入計算機，分別建立雙側髕骨的3D數字模型，將健側髕骨3D數字模型鏡像，作為患側髕骨虛擬復位的模板，虛擬拼合患側髕骨后，在患側髕骨軟骨面設計復位用手術導航模板，并用3D打印機打印成型后應用于臨床手術當中；其特征是：所述手術導航模板的貼合面與髕骨的軟骨面相吻合。設計前提是將CT數據以DICOM或JPG或BMP或Tiff等格式導入計算機，通過Mimics或E3d或3DSlicer或ORSvisual等軟件建立髕骨的3D數字模型。所述手術導航模板的設計方法包括髕骨軟骨面厚度測量方法和基于髕骨軟骨下骨表面形態模型加上軟骨厚度后的軟骨表面形態3D數字模型的建立方法。所述髕骨軟骨面厚度根據所述髕股關節最小的骨性關節間隙的距離除以2得出。所述基于髕骨軟骨下骨表面形態加上軟骨厚度后的軟骨表面形態3D數字模型的建立方法為在髕骨軟骨下骨的3D模型基礎上，偏移骨面使之增厚達所述軟骨面厚度，人為制造出髕骨軟骨面的3D數字模型；再以此人造的虛擬軟骨面3D數字模型為基礎，通過加厚方式使髕骨軟骨面增厚至所述手術導航模板所需厚度，最后通過布爾減方式減去髕骨和髕骨的虛擬軟骨面，完成所述手術導航模板的設計。將髕骨軟骨下骨的3D數字模型以.stl或.IGES或.STEP或.obj或DAE等格式導入geomagicstudio或magics或3-matic或Rhino或E3D軟件中，先選取髕骨軟骨下骨面，通過偏移骨面使之增厚，人為制造出髕骨的軟骨面；再以此人造的虛擬軟骨面為基礎，通過加厚方式使髕骨的軟骨面增厚2-5mm，然后通過布爾減方式減去髕骨和髕骨的虛擬軟骨面，完成2-5mm厚的所述髕骨手術導航模板的設計。髕骨骨折手術導航模板分為上、下半部復位導航模板和全髕骨復位導航模板。上、下半塊髕骨復位導航模板的面積與虛擬復位后的上、下半部髕骨面積相當，全髕骨復位導航模板的面積只占髕骨中部的一小部分。上、下半髕骨復位導航模板在上、下半塊髕骨相對的斷面處向前翻折。手術時先分別以上、下半塊復位導航模板輔助髕骨上半塊和下半塊的復位與固定，再用全髕骨復位導航模板輔助完成整個髕骨的復位與固定。本專利技術的有益效果是能完全利用髕骨軟骨面來設計蒙板，在減少術中對關節囊的切開和軟組織的剝離，減少血運的破壞和粘連的發生，減少感染發生概率的前提下，發揮手術導航模板對粉碎的髕骨進行精準復位的引導和承托作用，以及術中臨時性固定過程中對粉碎骨塊的穩定維持作用。附圖說明圖1髕骨粉碎性骨折骨性結構的原始數字模型；圖2在圖1基礎上將骨性結構虛擬復位拼合成完整骨塊后的數字模型。具體實施方式本專利技術的具體實施方式如下：術前使用多排螺旋CT薄層掃描傷者雙側髕骨，掃描層厚1mm，采集的CT數據以DICOM或JPG或BMP或Tiff等格式導入計算機，通過Mimics或E3d或3DSlicer或ORSvisual等軟件建立骨塊呈分離狀態的骨折原始3D數字模型(如圖1)；以健側髕骨鏡像后的3D數字模型為模板虛擬復位患側髕骨，即在計算機中通過剪切、移動、旋轉來拼接粉碎骨塊，將患側髕骨碎塊虛擬復位成全髕骨和上、下各半塊髕骨的3D數字模型(見圖2)，并以此為基礎分別設計出以軟骨面為導航模板的全髕骨和上、下部半髕骨的復位導航模板。由于軟骨不顯影，髕骨周緣的軟骨必然使術中真實的髕骨周長和軟骨表面積大于3D模型中的骨性髕骨周長和軟骨下骨的表面積，因此復位導航模板也應以髕骨軟骨面為基礎；關節軟骨面厚度可根據所述關節的骨性關節間隙的距離除以2來計算得出，由于髕骨與股骨的關節面為非對稱性關節面，故須以整個關節面中最小的骨性關節間隙即髕骨與股骨相接觸處的軟骨下骨的距離除以2為髕骨軟骨面的厚度。為此，將虛擬復位后的髕骨3D數字模型以.stl或.IGES或.STEP或.obj或DAE格式導入geomagicstudio或magics或3-matic或Rhino或E3D等軟件中，先選取髕骨軟骨下骨面，通過偏移軟骨下骨面使之增厚，增加厚度由測得的軟骨厚度決定，人為制造出髕骨的軟骨面；再以此人造的虛擬軟骨面為基礎，通過加厚方式使此人造的虛擬軟骨面增厚形成導板，增加的具體厚度由擬3D打印出的手術導航模板的材料、大小、用途和受力狀態等決定，總體來說，鈦合金和聚醚醚酮材料強度高，則設計成2-3mm即可，尼龍、光固化樹脂和聚乳酸材料強度低，則設計成3-4mm，面積較大的蒙板還需達到5mm厚度；然后通過布爾減方式減去骨性髕骨和虛擬軟骨面，便可設計出相應厚度的髕骨復位導航模板；根據手術需要，導航模板分為半髕骨復位導航模板和全髕骨復位導航模板。設計時應該注意的是，上、下半髕骨復位導航模板的面積與虛擬復位后的上、下半部髕骨面積相當，盡量做到全覆蓋；但因全髕骨復位導航模板須在輔助上、下兩半塊髕骨復位并臨時固定后取出，如面積與髕骨軟骨面一樣大，則需擴大髕旁軟組織切口，擴大損傷范圍，故全髕骨復位導航模板的面積要盡可能小而薄，由于其輔助固定的是上、下兩個已拼合的半塊髕骨，故其貼合面積只需針對髕骨中部的一小部分即可。之后，將所設計的髕骨復位導航模板數字模型導入3D打印機內，即可打印出供手術中使用的導航模板實物，消毒備用。術中使用的方法是，先將髕骨上半塊復位導航模板放置于髕骨關節面后方，參考已虛擬復位的髕骨上半塊打印模型找出髕骨上半塊最靠邊緣且相對較大的帶軟骨面碎塊及其應歸納的位置和方向，再找出軟骨面與其相鄰的較大碎塊，依托髕骨上半塊復位導航模板將上述兩塊碎骨進行拼接，并以細克氏針進行臨時固定。依法逐一將所有髕骨上半塊帶軟骨面的骨碎塊拼合并以細克氏針臨時固定，使髕骨上半塊帶軟骨面骨碎片恢復成一個整體；再以同樣方法完成髕骨下半塊粉碎骨折的復位與臨時固定。將全髕骨復位導航模板插入髕骨后方，如因創口過小難以插入則酌情適當切開髕旁韌帶，在以帶尖復位鉗牽拉髕骨上半塊使兩斷端靠攏的情況下，使已初步復位并固定為一體的髕骨上、下兩半塊的斷端本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種個性化髕骨骨折手術導航模板的設計和使用方法，將雙側髕骨CT掃描數據導入計算機，分別建立雙側髕骨的3D數字模型，將健側髕骨3D數字模型鏡像，作為患側髕骨虛擬復位的模板，虛擬拼合患側髕骨后，在患側髕骨軟骨面設計復位用手術導航模板；其特征是：所述手術導航模板的貼合面與髕骨的軟骨面相吻合。/n

【技術特征摘要】
1.一種個性化髕骨骨折手術導航模板的設計和使用方法，將雙側髕骨CT掃描數據導入計算機，分別建立雙側髕骨的3D數字模型，將健側髕骨3D數字模型鏡像，作為患側髕骨虛擬復位的模板，虛擬拼合患側髕骨后，在患側髕骨軟骨面設計復位用手術導航模板；其特征是：所述手術導航模板的貼合面與髕骨的軟骨面相吻合。


2.如權利要求1所述的一種個性化髕骨骨折手術導航模板的設計和使用方法，其特征是：將CT數據以DICOM或JPG或BMP或Tiff格式導入計算機，通過Mimics或E3d或3DSlicer或ORSvisual軟件建立髕骨的3D數字模型。


3.如權利要求1或2所述的一種個性化髕骨骨折手術導航模板的設計和使用方法，其特征是：所述手術導航模板的設計方法包括髕骨軟骨面厚度測量方法和基于髕骨軟骨下骨表面形態模型加上軟骨厚度后的軟骨表面形態3D數字模型的建立方法。


4.如權利要求3所述的一種個性化髕骨骨折手術導航模板的設計和使用方法，其特征是：所述髕骨軟骨面厚度根據所述髕股關節最小的骨性關節間隙的距離除以2得出。


5.如權利要求1或4所述的一種個性化髕骨骨折手術導航模板的設計和使用方法，其特征是：所述基于髕骨軟骨下骨表面形態加上軟骨厚度后的軟骨表面形態3D數字模型的建立方法為在髕骨軟骨下骨的3D模型基礎上，偏移骨面使之增厚達所述軟骨面厚度，人為制造出髕骨軟骨面的3D數字模型；再以此人造的虛擬軟骨面3D數字模型為基礎，通過加厚方式使髕骨軟骨面增厚至所述手術導航模板所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：董謝平，王哲，牛高峰，艾子政，李京娜，
申請(專利權)人：董謝平，
類型：發明
國別省市：江西;36