一种个性化枕颈融合螺钉进钉导航模板的制作方法

摘要

本发明涉及一种个性化枕颈融合螺钉进钉导航模板的制作方法，其特征在于：基于医学图像，重建颈枕部的三维模型；在三维模型上进行模拟复位将颈枕部的矢状角度固定于患者直立行走时双眼平时正前方的位置；制作枕骨螺钉和枢椎椎弓根螺钉进钉定位导航模版；依上述颈枕部矢状角度和枕骨、枢椎螺钉的距离制作矢状位模棒的stl文件；并利用3D打印或其他加工方法制造出来。术中提高了枕骨及枢椎螺钉进钉位置和方向的准确度；省去了枕颈连接棒的预弯和长度选择的主观性，减少透视次数等；适用于寰枢椎的创伤性骨折、脱位，先天性畸形等疾病可造成寰枢椎失稳、椎管狭窄等疾病；操作简便，对医生要求较低，降低手术风险，提高手术效率，减少手术成本。

权利要求

1.一种个性化枕颈融合螺钉进钉导航模板的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)对患者枕骨及上颈椎进行64排螺旋CT扫描，获取DICOM数据：(2)将数据导入三维建模软件-Mimics，重建枕骨及上颈椎三维模型；

(3)枕骨、寰枢椎的分割建模：

使用Mimics软件修改蒙罩工具中的擦除功能，以枕骨髁部、环枢椎上下关节突为界在软件中手工分离，再采用区域增长工具和布尔运算分别形成3个新不同的蒙罩，以此蒙罩建立3个不同颜色的三维模型；

(4)枕骨和枢椎螺钉术前规划：

枕骨螺钉进钉位置定为枕骨粗隆骨质最厚的部位，以增长螺钉的进钉深度，加强固定效果；枢椎螺钉的进钉位置和方向定义为枢椎椎弓根螺钉的轴心位置，以增强枢椎螺钉的把持力；

(5)颈枕矢状角度术前规划：

通过mimics软件中的移位和旋转功能，将颈椎和枕骨的矢状位角度固定于直立行走时双眼平视前方，使患者颈枕固定后有更好的视觉范围和效果；结合上述枕骨和枢椎螺钉的进钉位置，确定颈枕颈枕角度和螺钉撑开的距离；

(6)个性化螺钉定位导航模版和矢状位模棒的设计

在Geomagic软件中设计个体化螺钉定位导航模版和颈枕矢状角度模棒；

以步骤(4)(5)中颈枕矢状角度和长度制作模棒三维模型，并在其表面制作螺钉进钉位置标示点，保存为STL格式文件；以步骤(4)中最佳钉道为基础，制作螺钉导航模板，保存为STL格式文件；

(7)传入3D打印机进行实物打印；所用材料为光敏树脂材料。

2.根据权利要求1中所述的一种个性化枕颈融合螺钉进钉导航模板的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中螺旋CT扫描层厚为0.625mm，矩阵为512X512。

3.根据权利要求1中所述的一种个性化枕颈融合螺钉进钉导航模板的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中骨断模拟复位具体操作为选阈值选取工具，获得拟固定胸腰椎原始蒙罩，再用区域增长工具缩小并修改上述蒙罩，产生新蒙罩；然后，选此新蒙罩的三维建模并做平滑处理，即得所需固定节段的胸腰椎三维模型。

说明书

一种个性化枕颈融合螺钉进钉导航模板的制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及计算机辅助技术及医疗器械领域，尤其涉及一种个性化枕颈融合螺钉进钉导航模板的制作方法。

背景技术

[0002] 枕颈部是指由枕骨大孔区、寰椎和枢椎构成的解剖区域，包括延髓、延颈髓交界部以及上颈髓等重要的中枢神经，该区域的解剖结构复杂、毗邻重要、外科干预难度大，其治疗是脊柱外科的难点之一。枕颈固定术于1927年由Foerster首次报道，后来这种手术一直被认为是治疗枕颈部和上颈椎先天性畸形、外伤性骨折脱位和其他疾患所致的枕颈部或上颈椎不稳的有效方法。目前颈枕部内固定系统包括枕骨螺钉及钢板、枢椎螺钉、颈枕部连接棒。其中枢椎椎弓根比邻脊髓及椎动脉，置钉风险大；枕骨螺钉及钢板的位置大多都是依手术医师术中对枕骨解剖关系所决定，主观性强，术后出现螺钉锥破枕骨内板、硬膜下出血、螺钉松动、钢板偏移等并发症；连接棒的长度和弧度大多都是依手术医师术中临时断棒和折弯的，主观性强，术中出现反复多次断棒和折弯，多次反复透视，术后颈枕部矢状位角度仍不理想，患者直立行走时视觉不满意等，因此这些一直是临床是较为棘手的技术问题。

发明内容

[0003] 为了解决以上技术问题，本发明通过术前分析个性化设计的枕颈固定螺钉进钉导航模板和矢状角度模棒在生理功能状态下的力学特性，提供一种便捷、高效的一种个性化枕颈融合螺钉进钉导航模板的制作方法，制作方法简单操作方便于工作，准确，并使术中省去了螺钉置钉及连接棒的预弯主观性，反复多次操作透视等；适用于颅底凹陷，环枢椎骨折等多种情况；使手术操作简便，对医生要求较低，降低手术风险，提高手术效率，进而减少手术成本。

[0004] 解决以上技术问题的本发明中一种个性化枕颈融合螺钉进钉导航模板制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

[0005] （1）对患者枕骨及上颈椎进行64排螺旋CT扫描，获取DICOM数据：

[0006] （2） 将数据导入三维建模软件-Mimics，重建枕骨及上颈椎三维模型；

[0007] 通过阈值选取得到所需固定节段的枕骨及环枢椎三维模型，对残端移位明显的骨断模拟复位；

[0008] （3）枕骨、寰枢椎的分割建模：

[0009] 使用Mimics软件修改蒙罩工具中的擦除功能，以枕骨髁部、环枢椎上下关节突为界在软件中手工分离成，再采用区域增长工具和布尔运算分别形成3个新不同的蒙罩，以此蒙罩建立3个不同颜色的三维模型；

[0010] （4）枕骨和枢椎螺钉术前规划：

[0011] 枕骨螺钉进钉位置定为枕骨粗隆骨质最厚的部位，以增长螺钉的进钉深度，加强固定效果；枢椎螺钉的进钉位置和方向定义为枢椎椎弓根螺钉的轴心位置，以增强枢椎螺钉的把持力；

[0012] （5）颈枕矢状角度术前规划：

[0013] 通过mimics软件中的移位和旋转功能，将颈椎和枕骨的矢状位角度固定于直立行走时双眼平视前方，使患者颈枕固定后有更好的视觉范围和效果；结合上述枕骨和枢椎螺钉的进钉位置，确定颈枕颈枕角度和螺钉撑开的距离。

[0014] （6）个体化螺钉定位导航模板和矢状位模棒的设计

[0015] 在Geomagic软件中设计个体化螺钉定位导航模版和颈枕矢状角度模棒；

[0016] 以步骤（4）（5）中颈枕矢状角度和长度制作模棒三维模型，并在其表面制作螺钉进钉位置标示点，保存为STL格式文件；以步骤（4）中最佳钉道为基础，制作螺钉定位导航模板，保存为STL格式文件；

[0017] （7）传入3D打印机进行实物打印。

[0018] 所述步骤（1）中螺旋CT扫描层厚为0.625mm，矩阵为512*512。

[0019] 矩阵相当于像素，指的是图像为512*512的像素，层厚越薄，带来的精确越高，CT扫描的时间越长。但层厚也不能太薄。

[0020] 所述步骤（2）中骨断模拟复位具体操作为选阈值选取工具，获得拟固定胸腰椎原始蒙罩，再用区域增长工具缩小并修改上述蒙罩，产生新蒙罩；然后，选此新蒙罩的三维建模并做平滑处理，即得所需固定节段的胸腰椎三维模型。

[0021] 所述步骤（7）中所用材料为光敏树脂材料，也可以用其他材料，比如说尼龙，而且尼龙的生物特性更好，可以和人体短暂接触。

[0022] 本发明中个性化矢状曲度模棒以术前模拟手术得到患者最为理想的矢状曲度参数，将这一参数通过3D打印的方式打印成实物。以术前模拟手术得到患者最为理想的枕骨及环枢椎螺钉的进钉点和进钉方制作个体化的螺钉导航模板，通过3D打印的方式打印成实物，通过此实物消毒后在术中枕骨及环枢椎螺钉的置入，使术后患者得到最好的螺钉置入位置。

[0023] 本发明中的制备方法中基于医学图像，重建拟固定节段脊柱的三维模型；在三维模型上进行模拟手术；依模拟手术后矢状曲度制作个体化矢状曲度模棒stl文件及枢椎、枕骨螺钉导板；并利用3D打印或其他加工方法制造出来。所述螺钉导板及矢状曲度模棒为个体化，在模棒上设计螺钉撑开加压标志点保证在颈枕融合后矢状曲度维持在正常的生理弧度。

[0024] 在Geomagic中，提取拟置钉椎体棘突根部和椎板后部的解剖学形态并建立与之解剖形状一致厚度为3mm反向模板，将上述最佳进钉通道和此模板进行拟合，设计带有导向孔的个体化椎弓根定位导板，保存为STL格式文件传入3D打印机进行3D实物打印。

[0025] 几何结构的精确对于模型的有效性非常重要。在此模型上用特殊材料提前“定做”。据介绍，定做的模棒形态遵循了原骨骼解剖特征，保持了功能，具有个性化、定制化优势，同时手术创伤小。

[0026] 在此类手术中螺钉固定融合的同时，还需要恢复患者颈枕部最合适的融合角度（矢状角度），以术前模拟手术得到患者最为理想的连接棒矢状角度及螺钉在连接棒的位置。通过3D打印的方式打印，通过此实物消毒后在术中辅连接棒的预弯和螺钉在连接棒上的位置，使术后患者得到理想的矢状曲度。避免患者融合后固定在非正常的抬头或低头位。

[0027] 具体实施方式：

[0028] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例作简单地介绍，显而易见地，本发明专利包括但是不仅仅限于下面所描述的实施例子。

[0029] 实施例1

[0030] ①对患者枕骨及上颈椎行64排螺旋CT扫描，获取DICOM数据；螺旋CT扫描层厚为0.625mm，矩阵为512*512。

[0031] ②将数据导入三维建模软件（Mimics），重建枕骨及上颈椎三维模型；

[0032] ③枕骨、寰枢椎的分割建模：使用Mimics软件修改蒙罩工具中的擦除功能，以枕骨髁部、环枢椎上下关节突为界在软件中手工分离成，再采用区域增长工具和布尔运算分别形成3个新不同的蒙罩，以此蒙罩建立3个不同颜色的三维模型；

[0033] ④软件中模拟手术：通过Mimics软件中的移位和旋转功能，将颈椎和枕骨的矢状位角度个体化固定于功能位站立后双眼平视前方，即双眼平视前方的位置，使患者颈枕固定后有更好的视觉范围和主观感受；

[0034] ⑤枕骨和枢椎螺钉术前规划：枕骨螺钉进钉位置定为枕骨粗隆骨质最厚的部位，以增长螺钉的进钉深度，加强固定效果。枢椎螺钉的进钉位置和方向定义为枢椎椎弓根解剖长轴，以增强枢椎螺钉的把持力；

[0035] ⑥个体化螺钉定位导航模版和矢状位模棒的设计：在Geomagic软件中设计个体化螺钉定位导航模版和矢状位模棒。枕骨螺钉定位导航模板包含枕骨螺钉定位机构及其按压板、枕骨螺钉导向管。枢椎螺钉定位导航模板包含双侧型枢椎螺钉关节突定位机构、椎板根部定位机构，枢椎螺钉导向管，导航模版基部双侧支撑机构、导航模版横连指压机构。矢状位模棒包含：矢状位模棒主体、标识点（标示点确定枕骨、枢椎螺钉在连接棒上的位置）、内弧面、外弧面、矢状曲度模棒上端部、矢状曲度模棒下端部。

[0036] 在Geomagic软件中设计个体化螺钉定位导航模版和颈枕矢状角度模棒；以步骤④⑤中颈枕矢状角度和长度制作模棒三维模型，并在其表面制作螺钉进钉位置标示点，保存为STL格式文件；以最佳钉道为基础，制作螺钉定位导航模板，保存为STL格式文件；

[0037] ⑦通过3D打印技术制作实体；实物可以消毒后带入手术中，直观辅助手术。也可以用其他材料，比如说尼龙，而且尼龙的生物特性更好，可以和人体短暂接触。

[0038] 所述的个性化枕颈融合螺钉进钉导航模板，即个性化枕颈固定螺钉进钉导航模板和矢状角度模棒为个体化辅助手术工具，术中提高了枕骨及枢椎螺钉进钉位置和方向的准确度；术中省去了枕颈连接棒的预弯和长度选择的主观性，减少透视次数等适用于寰枢椎的创伤性骨折、脱位，先天性畸形，结核及类风湿等疾病可造成寰枢椎失稳、椎管狭窄等疾病；操作简便，对医生要求较低，降低手术风险，提高手术效率，进而减少手术成本。

[0039] 将个体化固定螺钉定位导航模版和矢状位模棒应用于手术中：取枕颈部后正中切口显露枕外隆凸、寰椎双侧后弓及枢椎双侧椎板。应用电刀或电凝于骨膜下剥离两侧肌肉，暴露粗大的枢椎棘突并依其向椎弓两侧剥离至侧块外侧缘，再显露寰椎后结节及后弓并向两侧剥离至其根部。将上述模板和模棒经消毒后入手术室，枕骨螺钉导航模板放置于枕外隆凸、枢椎螺钉导航模板放置于枢椎椎板和侧块后方，要求为模板在上述两处的位置应与上述解剖位置的骨质完全贴合，固定模板指压机构，以上述导向管钻孔并植入螺钉。将双侧颈枕连接棒分别按左右侧矢状位模棒选择长度和弧度的预弯，依连接棒上的标识点确定枕骨螺钉和枢椎螺钉在连接棒上的位置，将颈枕部的矢状位角度固定于术前设计的位置，完成手术。

[0040] 术后随访：与传统手术组对比比较手术时间、术中出血量、术中透视次数、置钉准确率、术后患者的平视满意度。

[0041] 个性化设计的模板比仅仅凭借经验设计的导板生物力学性能更加良好，至今使用约20余例患者，观察2年，在术中时出血量少，速度快，术中透视次数少、置钉准确率高，成功率百分百；术后恢复率高，基本达到95%以上。

[0042] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。