專利名稱：一種可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā) 明涉及一種可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板的制作方法，以及用該方法制作的 可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板。
背景技術(shù)：
在脊柱創(chuàng)傷復(fù)位、畸形矯正等骨科手術(shù)中，普遍認(rèn)為利用椎弓根螺釘內(nèi)固定是一 種最為穩(wěn)定的脊柱固定方式。但是由于從腰椎向上，胸椎、頸椎的椎弓根的直徑逐漸減小， 進(jìn)行椎弓根螺釘固定的難度和危險(xiǎn)性也逐漸增加，失誤后可能造成極大損害，胸椎和頸椎 的椎弓根技術(shù)很難在臨床普及。因此，人們開始尋找能夠準(zhǔn)確定位的脊柱導(dǎo)航系統(tǒng)，以進(jìn)行椎弓根的精確定位，保 證手術(shù)的順利進(jìn)行。應(yīng)用計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行脊柱手術(shù)始于20世紀(jì)90年代，1994年首 先報(bào)道了計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)輔助下的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)，以后發(fā)達(dá)國家逐漸應(yīng)用于臨床。其 中，臨床應(yīng)用最廣泛的是安裝有紅外線發(fā)射二極管的光電計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。我國于2002年 開始將計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于椎管手術(shù)，應(yīng)用的范圍包括上頸椎、頸椎椎弓根、胸椎及腰椎 等，報(bào)告的結(jié)果認(rèn)為計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)提供了以往臨床經(jīng)驗(yàn)無法比擬的準(zhǔn)確性和多角度實(shí)時(shí) 的信息。但目前臨床中應(yīng)用的計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)同樣具有一些缺點(diǎn)，如精確度仍不夠高，操作 復(fù)雜，設(shè)備的價(jià)格昂貴，手術(shù)時(shí)間長等。另外，利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行椎弓根定位， 患者必須在具有導(dǎo)航設(shè)備的醫(yī)院方可開展手術(shù)，目前尚難以廣泛推廣。自從20世紀(jì)80年代美國3D System Inc.的Charle發(fā)明了快速成形工藝后，在 很短的時(shí)間內(nèi)，按照成形材料和零件制造技術(shù)的不同，各種快速成形工藝相繼出現(xiàn)，如光固 化成型法(SLA)、疊層實(shí)體制造法L0M)、選擇性激光燒結(jié)法(SLS)、熔融沉積制造法(FDM)和 三維打印法等，其應(yīng)用也從工業(yè)界的原型制造、模具制造、零件制造，向藝術(shù)、教育和醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域拓展。反求工程，是指根據(jù)實(shí)物模型測得的數(shù)據(jù)，構(gòu)造CAD (計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))模型，繼而 進(jìn)行分析制造。隨著工業(yè)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，反求技術(shù)和快速成形技術(shù)的興起為 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域精確手術(shù)提供了技術(shù)支持。反求工程與快速成形的結(jié)合，帶來了一種全新的產(chǎn)品 設(shè)計(jì)、制造及三維尺寸測量模式。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，人們嘗試將反求工程與快速成形制造相結(jié)合，利用CT及核磁共振 (MRI)等設(shè)備采集人體器官、骨骼、關(guān)節(jié)等部位的外形數(shù)據(jù)，重建三維數(shù)字化模型，然后用快 速成形技術(shù)制造教學(xué)和手術(shù)參考用的模型，常用于幫助制造假肢或進(jìn)行外科修復(fù)。但是，目 前尚未有將這一技術(shù)應(yīng)用于椎弓根固定的報(bào)道，另外在椎弓根固定術(shù)中，即使術(shù)前利用上 述技術(shù)制造出了患者的椎弓根模型，并且進(jìn)行了螺釘進(jìn)釘方向與深度的模擬試驗(yàn)，手術(shù)中 由于患者體位的變化，要想準(zhǔn)確找到原來模擬的進(jìn)釘方向打入椎弓根螺釘，困難巨大，一旦 出現(xiàn)誤差，后果不堪設(shè)想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種可廣泛使用的，用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板的制作方法，以及用該方法制作的可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板，以達(dá)到快速、廉價(jià)、高效地對(duì)椎弓 根進(jìn)行精確定位。本發(fā)明的制作方法是術(shù)前對(duì)患者進(jìn)行CT或者M(jìn)RI薄層掃描，采集患者手術(shù)區(qū)域 的數(shù)字圖象。利用三維重建軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，導(dǎo)出待手術(shù)椎骨的三維重建模 型。應(yīng)用逆向工程軟件，根據(jù)椎骨的三維重建模型設(shè)計(jì)椎弓根的最佳進(jìn)釘釘?shù)馈Ｈ缓?，提?椎板后部的表面信息，在系統(tǒng)中建立與椎板后部解剖形狀一致的反向模板模型，將反向模 板，椎體與椎弓根釘?shù)赖臄?shù)字模型進(jìn)行擬和，觀察釘?shù)肋^椎弓根的準(zhǔn)確性。利用激光快速成 形技術(shù)制作帶有椎弓根釘?shù)赖姆聪驅(qū)Ш侥０?。或者，可以先采集?始數(shù)據(jù)并在計(jì)算機(jī)上建 立椎骨三維模型，利用快速成形技術(shù)做出椎骨實(shí)物模型，然后在實(shí)物模型上建立椎弓根的 釘?shù)?，根?jù)椎弓根釘?shù)赖姆较蛟O(shè)計(jì)帶有椎弓根釘?shù)赖姆聪驅(qū)Ш侥０?。術(shù)中，將這一導(dǎo)航模板 與待手術(shù)的椎骨后部相嵌合，可用于椎弓根釘?shù)木_定位。本發(fā)明中，CT或者M(jìn)RI掃描速度和精度的增加為獲得反求工程中的三維模型提供 了精確的斷層圖片，利用三維重建的軟件可將需要的組織器官快速重建并在虛擬模型上進(jìn) 行隨意的變形和鉆孔，以設(shè)計(jì)最佳的椎弓根釘進(jìn)釘路線。在虛擬模型的基礎(chǔ)上，利用快速成 型技術(shù)生產(chǎn)出可在術(shù)中應(yīng)用的反向?qū)Ш侥０?。術(shù)中將模板與人體的椎體后部嵌合，可精確 導(dǎo)引椎弓根釘?shù)倪M(jìn)釘方向和深度，順利完成手術(shù)。同時(shí)，由于本發(fā)明是在手術(shù)前就已經(jīng)將導(dǎo) 航模板制作完成，不需要在術(shù)中應(yīng)用其它設(shè)備進(jìn)行椎弓根的定位，大大減少了手術(shù)的時(shí)間， 減少了患者痛苦。另外，現(xiàn)在各個(gè)中小型醫(yī)院均已經(jīng)普及CT檢查，在這些醫(yī)院進(jìn)行椎骨CT 掃描后，將CT數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇梢赃M(jìn)行導(dǎo)航模板設(shè)計(jì)及具有快速成型技術(shù)的單位，在 這些單位制成用于術(shù)中定位的反向?qū)Ш侥０搴螅爝f到需要進(jìn)行椎管手術(shù)的醫(yī)院。這樣，就 克服了現(xiàn)在利用計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位時(shí)，必須每個(gè)進(jìn)行定位手術(shù)的醫(yī)院均需購買一臺(tái) 設(shè)備的不足，大大減少了資源浪費(fèi)。當(dāng)然，考慮到實(shí)現(xiàn)本發(fā)明設(shè)備的簡單性，其實(shí)現(xiàn)費(fèi)用已 經(jīng)相當(dāng)?shù)土１景l(fā)明將數(shù)字技術(shù)，反求工程和快速成形技術(shù)有機(jī)結(jié)合，搭起了虛擬和現(xiàn)實(shí)之間 的一座橋梁，可望為醫(yī)學(xué)發(fā)展開辟新的領(lǐng)域。


附圖1為利用三維重建軟件建立的椎骨虛擬三維模型。附圖2為設(shè)計(jì)的帶進(jìn)釘孔道的反向?qū)Ш侥０逄摂M模型附圖3為利用快速成形技術(shù)生產(chǎn)出的椎體和反向?qū)Ш侥０鍖?shí)物，術(shù)前可模擬椎體 和模板對(duì)合的精確性
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例，當(dāng)然，本發(fā)明的實(shí)施方式并不僅限于下 屬實(shí)施方式。例如，利用MRI等數(shù)字技術(shù)采集的椎骨數(shù)據(jù)也可以用于椎骨三維模型的重建； 利用其它三維重建軟件、三維分析軟件、逆向工程軟件也同樣可以進(jìn)行反向?qū)Ш侥０鍞?shù)字 模型的制作；同時(shí)，也可以利用其它成型技術(shù)，制作術(shù)中實(shí)際應(yīng)用的椎弓根定位反向?qū)Ш侥?板。實(shí)施例一
1.原始數(shù)據(jù)的采集術(shù)前，對(duì)患者手術(shù)區(qū)域的椎骨進(jìn)行薄層CT掃描，采集CT原始 數(shù)據(jù)。2.椎骨三維模型的建立將CT連續(xù)斷層圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件，首先灰度分 割提取椎骨邊界輪廓信息區(qū)，然后應(yīng)用區(qū)域分割再次提取椎骨信息區(qū)，采用系統(tǒng)默認(rèn)的最 佳重建模式，建立的三維重建椎體模型，以STL格式導(dǎo)出模型。在需要定位的椎體采用單椎 體重建，如附圖1，其中椎弓根1為需重點(diǎn)關(guān)注的部位。
3.對(duì)椎弓根進(jìn)釘通道進(jìn)行三維分析在UG Imageware 12. 0平臺(tái)(美國EDS公司) 打開三維重建模型，定位三維參考平面，提取椎弓根表面輪廓。旋轉(zhuǎn)模型，確定與方向垂直 的平面，將椎弓根沿平面法向確定其正投影區(qū)，擬合正投影區(qū)內(nèi)邊界線，擬合其內(nèi)切圓、橢 圓，再獲取橢圓一定垂距的內(nèi)偏置曲線。沿方向分別將內(nèi)邊界線、內(nèi)切圓、橢圓投影到椎體 和椎板表面。內(nèi)邊界投影曲線之間的放樣曲面為該方向椎弓根進(jìn)釘通道，內(nèi)切圓投影曲線 之間的放樣曲面為該方向最大螺釘通道，擬合橢圓投影曲線之間的放樣曲面為該方向近似 進(jìn)釘通道，內(nèi)偏置曲線的投影曲線之間的放樣曲面為該方向近似軸線通道，平移內(nèi)切圓心 之間的直線為該方向最佳軸線，平移橢圓圓心之間的直線為該方向近似軸線。內(nèi)偏置曲線 在椎板的投影曲線為該方向進(jìn)釘安全進(jìn)釘區(qū)。內(nèi)切圓圓心在椎板的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為該方向在椎板 的最佳進(jìn)釘點(diǎn)，擬合橢圓圓心在椎板的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為該方向在椎板的近似進(jìn)釘點(diǎn)。找到準(zhǔn)確的 椎弓根通道后，將通道延伸到椎板的后部，并在椎板上確定椎弓根通道的方向。4.虛擬的進(jìn)釘導(dǎo)航模板的建立在逆向工程軟件UG imageware (美國EDS公司) 中提取椎板后部輪廓，在系統(tǒng)中建立與椎板后部輪廓相吻合的虛擬反向模板，將模板與先 前建立的椎弓根通道擬和，這樣就建立了如附圖2所示的的虛擬的導(dǎo)航模板3。5.如附圖3所示，利用激光快速成形技術(shù)將椎體和導(dǎo)航模板3同時(shí)制作出來，體外 將模板3和椎體貼合，從進(jìn)釘孔道向頸椎椎弓根1方向進(jìn)行進(jìn)釘模擬，以進(jìn)一步觀察該模板 在術(shù)中進(jìn)行導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。在手術(shù)時(shí)只需要將模板與椎板的后部相貼合，即可定位椎弓根 的方向。為了保證進(jìn)釘方向的準(zhǔn)確性，可以利用geomagic軟件將虛擬模板中的進(jìn)釘孔道 部位局部適當(dāng)增厚，如附圖2或附圖3中所示的進(jìn)釘孔道2，其厚度最好在5mm或3mm左右。另外，為了減少操作步驟，可以不制作椎骨模型，僅制作用于定位的反向?qū)Ш侥?板，在術(shù)中進(jìn)行應(yīng)用即可。實(shí)施例二 1.原始數(shù)據(jù)的采集術(shù)前，對(duì)患者手術(shù)區(qū)域的椎骨進(jìn)行薄層CT掃描，采集CT原始 數(shù)據(jù)。2.椎骨三維模型的建立將CT連續(xù)斷層圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件，首先灰度分 割提取椎骨邊界輪廓信息區(qū)，然后應(yīng)用區(qū)域分割再次提取椎骨信息區(qū)，采用系統(tǒng)默認(rèn)的最 佳重建模式，建立的三維重建椎體模型，以STL格式導(dǎo)出模型。在需要定位的椎體采用單椎 體重建。3.椎骨實(shí)物模型的建立利用激光快速成形技術(shù)，根據(jù)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)上三維重建 的椎體模型，將椎體實(shí)物模型建立出來。4.在椎體的實(shí)物模型上建立椎弓根的釘?shù)?，根?jù)椎弓根釘?shù)赖姆较蛟O(shè)計(jì)帶有椎弓 根釘?shù)赖姆聪驅(qū)Ш侥０濉?br> 權(quán)利要求
一種可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板，該導(dǎo)航模板的制作方法包括如下步驟先采集原始數(shù)據(jù)并在計(jì)算機(jī)上建立椎骨三維模型；然后對(duì)椎弓根進(jìn)釘孔道進(jìn)行三維分析，提取椎板后部輪廓，在系統(tǒng)中建立與椎板后部輪廓相吻合的虛擬反向模板；將所述虛擬反向模板與所述椎弓根進(jìn)釘孔道擬和，建立虛擬的進(jìn)釘模板；然后利用快速成型技術(shù)將進(jìn)釘模板制作出來；其特征為所述進(jìn)釘模板為與椎板后部輪廓相吻合的反向?qū)Ш侥０濉?br> 2.一種如權(quán)利要求1所述的可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板，其特征為采集的原始數(shù) 據(jù)是CT信號(hào)或者核磁共振信號(hào)。
3.—種如權(quán)利要求1所述的可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板，其特征為所用的快速成 型技術(shù)是光固化成型法、疊層實(shí)體制造法、選擇性激光燒結(jié)法、熔融沉積制造法或者三維打 印法。
4.一種如權(quán)利要求1所述的可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板，其特征為所述進(jìn)釘孔道 局部加厚，厚度為3mm左右。
5.一種如權(quán)利要求1所述的可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板，其特征為所述進(jìn)釘孔道 局部加厚，厚度為5mm左右。
6.一種如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板，其特 征為制作反向?qū)Ш侥０宓耐瑫r(shí)，將與之相匹配的椎骨模型同時(shí)制作出來，體外將模板和椎 體貼合，進(jìn)行椎體椎弓根進(jìn)釘模擬，以進(jìn)一步觀察該模板在術(shù)中進(jìn)行導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。
7.一種可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板，該導(dǎo)航模板的制作方法包括如下步驟先采集 原始數(shù)據(jù)并在計(jì)算機(jī)上建立椎骨三維模型；利用快速成形技術(shù)做出椎骨實(shí)物模型；然后在 實(shí)物模型上建立椎弓根的釘?shù)?，根?jù)椎弓根釘?shù)赖姆较蛟O(shè)計(jì)帶有椎弓根釘?shù)赖倪M(jìn)釘模板；其特征為所述進(jìn)釘模板為與椎板后部輪廓相吻合的反向?qū)Ш侥０濉?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種可用于椎弓根定位的導(dǎo)航模板，該導(dǎo)航模板的制作方法包括如下步驟先采集原始數(shù)據(jù)并在計(jì)算機(jī)上建立椎骨三維模型；然后對(duì)椎弓根進(jìn)釘孔道進(jìn)行三維分析，提取椎板后部輪廓，在系統(tǒng)中建立與椎板后部輪廓相吻合的虛擬反向模板；將所述虛擬反向模板與所述椎弓根進(jìn)釘孔道擬和，建立虛擬的進(jìn)釘模板；然后利用快速成型技術(shù)將進(jìn)釘模板制作出來；所述進(jìn)釘模板為與椎板后部輪廓相吻合的反向?qū)Ш侥０濉１景l(fā)明將數(shù)字技術(shù)，反求工程和快速成形技術(shù)有機(jī)結(jié)合，從而達(dá)到快速、廉價(jià)、高效地對(duì)椎弓根進(jìn)行精確定位。
文檔編號(hào)A61B17/90GK101953713SQ201010501069
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2007年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月19日
發(fā)明者陸聲 申請(qǐng)人:陸聲