CN107252364B - 一种3d打印的肱骨模型及其制备方法 - Google Patents

一种3d打印的肱骨模型及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种3D打印的肱骨模型，其包括肱骨干，肱骨近端，肱骨远端、骨折面和/或10块以内碎骨；其中，所述肱骨模型还包括一3D打印的骨折肱骨对侧肱骨的镜像肱骨结构，在骨折面附近设置进钉孔或者其他手术过程中需要的结构。本发明的模型制备方法为通过64排螺旋CT扫描方式获得两侧肱骨及骨折处的影像及三维数据，后根据三维数据进行分析，得到骨折肱骨模型及对侧肱骨的镜像肱骨结构的数据，后转化为3D打印识别模式进行模型打印。通过镜像肱骨结构与骨折肱骨结构进行对比，可以有直观效协助操作者操作，且可以直观的让年轻医生了解操作步骤，且容易用实体结构与患者进行沟通，本发明模型结构合理，使用方便。

Description

一种3D打印的肱骨模型及其制备方法
技术领域
本发明属于骨科用，特别是针对肱骨骨折时使用的一种模拟结构，具体涉及为一种3D打印的肱骨模型及其制备方法。
背景技术
肱骨近端骨折占全身骨折的4％-5％，在老龄人中发病率很高，由于肱骨近端骨骼、肌肉的解剖学特点及老年骨质疏松等因素，临床治疗比较困难，治疗不当常导致肩关节僵硬、骨不连和畸形愈合的发生。切开复位内固定对软组织损伤较大，会进一步破坏肱骨头血运，增加了肱骨头缺血坏死及骨不愈合的危险，严重粉碎性骨折和老年骨质疏松患者的治疗效果不佳。
对于肱骨骨折尤其是近端骨折而言，常规术前正、侧位X线片，可以了解骨折的基本信息，而对于比较复杂的三、四分骨折，还可以补充CT扫面或进行三维CT重建，进一步明确骨折的范围、粉碎的程度及骨折片的移位方向和距离等信息，但仍存在以下问题：①仅能在理论上进行手术方案的制定，不能对该方案进行术前的实时演练，不能“实战”；②有效的治疗方案建立在对骨折发生机制的正确理解和准确的骨折分型基础之上，对于肱骨头置换的患者，CT所能提供的信息有限；③对医患交流病情信息和青年医生的示教作用有限。
另外，由于手术的假体接骨板等相关器械的个性化水平低，而容易引起一些结构不吻合的问题，影响患者后期的康复。
随着目前计算机辅助设计及3D打印技术的发展及进步，如果我们能采用合适的技术将骨折处的结构进设计并打印出实体后，将会对个性化治疗提供很好借鉴意义；目前国内还没有针对肱骨骨折及肱骨近端骨折的3D打印模型及相关设计，本发明利用计算机辅助设计及3D打印技术，设计打印出个性化的3D打印的肱骨模型及其制备方法。
发明内容
为了克服现有技术肱骨骨折尤其是肱骨近端骨折的针对性个性化治疗方式不足，术后恢复情况差等问题，本发明提供一种3D打印的肱骨模型及其制备方法。
一种3D打印的肱骨模型，其包括肱骨干，肱骨近端，肱骨远端、骨折面和/或10块以内骨块；其特征在于，所述肱骨模型还包括一3D打印的骨折肱骨对侧肱骨的镜像肱骨结构，在骨折面附近设置进钉孔或者其他手术过程中需要的结构。因为骨折骨断裂进行组合拼接过程繁琐，而且人体的两侧肱骨基本对称，可以把对称肱骨的镜像肱骨结构与骨折骨进行比较，进行手术过程中的对比操作，方便医生进行比对，另外通过骨折骨与镜像肱骨结构设置可以非常直观的让患者了解自己的情况，且容易指导年前临床医生学习，通过直观的结构让年轻医生了解操作的步骤及操作的角度，协助年轻临床医生尽快成熟起来。
进一步，当骨折面在肱骨头处且需要肱骨头置换时，在骨折面下设置一横断面，横断面下设置肱骨头杆进孔；所述镜像肱骨结构上对应设置横断面，横断面将镜像肱骨分为两部分，一部分为上段肱骨头结构，下部分为肱骨干结构，所述肱骨头结构横断面处设置肱骨头杆。横断面及肱骨头杆进孔及肱骨头杆的设置可以方便对手术部位的外观了解，及模拟手术操作，为肱骨头置换提供很好的指导作用。
进一步，横断面设置在肱骨头末端，并不经过肱骨大小结节。此种设置可以有效保证肱骨头置换术的角度，保证置换的效果。
进一步，还设置一个性化3D打印的肱骨头置换假体，个性化的设置针对性强，针对患者自身设置，吻合度高，可操作性强，术后恢复效果好。
进一步，所述假体的材料为钛合金材料。
或者，当骨折面没有在肱骨头处时，或不需要肱骨头手术时，所述骨折面附近设置接骨板进钉孔。进一步，所述模型还包括反向拟合的接骨板，接骨板上对应进钉孔设置钉孔。
进一步，所述骨块数目为5块以内，5块以内的骨块可以实现骨块的拼接，拼接后的接骨手术，否则过多骨块不利于接骨术进行。
进一步，根据重组顺序在各块骨块上设置编号，通过在计算机***下进行模拟拼接，并对骨块进行编号，可以更好的指导医生操作。
进一步，3D打印模型为1:1比例模型。等大设置可以保证模拟操作的真实性。
一种3D打印的肱骨模型的制备方法为：
1)通过X片或CT扫描获得患者两侧肱骨及骨折处的影像及数据；
2)将数据导入计算机中进行分析，对两侧肱骨进行分析，通过调整分析使非骨折侧肱骨与骨折侧肱骨镜像对称，后镜像非骨折侧的肱骨，这样就得到一个与骨折侧肱骨一致的完整的三维镜像肱骨；
3)分析骨折处的骨折面及骨块尺寸，生成三维的骨折面及骨块；
4)通过将镜像肱骨三维图像及骨折骨及其骨折面和骨块的三维图像并排放置，对照镜像肱骨对骨折面及骨折块进行重组，在骨折面附近设置进钉孔或在骨折面下设置横断面；
5)将所有的三维图像转化成3D打印机识别的格式，进行3D打印。
进一步，所述3D打印机识别的格式为STL格式。
进一步，所述CT扫描方式为64排螺旋CT扫描，此种扫描方式可以更好的获得影像数据。
进一步，当肱骨头骨折需肱骨头置换时，在镜像肱骨及骨折面下相同位置形成一个横断面，横断面下设置肱骨头杆进孔；横断面将镜像肱骨分为两部分，一部分为上段肱骨头结构，下部分为肱骨干结构，所述肱骨头结构横断面处设置肱骨头杆。
进一步，当骨折面没有在肱骨头处时，在骨折面附近合理设置进钉孔；
进一步，所述进钉孔外侧反向拟合接骨板，接骨板上对应设置钉孔。
本发明的有益效果为：①在模型上可以完全了解骨折的“特性”，明确骨折块之间的解剖关系，进而进一步明确骨折类型；②对于需要行肱骨头置换的患者，许多在X线和CT上不能发现或可疑的问题，可以在模型上一目了然，并可实时在术前就可以测量出肱骨头的大小、大小结节的高度、肱骨头的后倾角度等决定假体置换效果和成败的重要手术标志性数据；③通过在计算机和模型上的数据分析，可以在术前明确术中需要的假体大小、假体需要植入的高度、假体需要放置的后倾角度等指标，有利于缩短手术时间，达到更精确地手术效果；④在术前就可以在模型上进行手术预演，对年轻医生具有重要的意义，同时可以使医患间的交流变得直观而简单。
附图说明
图1为本发明肱骨头处骨折的整体模型示意图；
图2为本发明肱骨头处骨折的剖视模型结构示意图；
图3为本发明肱骨头处骨折肱骨近端模型结构示意图；
图4为本发明肱骨头骨折面模型结构示意图；
图5为本发明肱骨头骨折时镜像肱骨上的肱骨头模型结构示意图；
图6为本发明肱骨头骨折时横断面模型结构示意图；
图7为本发明骨折面未在肱骨头时的整体模型示意图；
图8为本发明骨折面未在肱骨头时骨折处模型示意图；
图9为本发明骨折面未在肱骨头时骨折面模型结构示意图；
图10为本发明骨折面未在肱骨头时接骨板模型结构示意图；
图中，1、肱骨干；2、肱骨近端；3、肱骨远端；4、肱骨头；5、骨块；6、镜像肱骨；7、横断面；8、肱骨头杆进孔；9、肱骨头杆；10、置换假体；11、进钉孔；12、接骨板；13、钉孔、14、骨折面。
具体实施方式
实施例1一种3D打印的肱骨模型的制备方法
通过64排螺旋CT扫描获得患者两侧肱骨及骨折处的影像及数据；将数据导入计算机中进行分析，对两侧肱骨进行分析，通过调整分析使非骨折侧肱骨与骨折侧肱骨镜像对称，后镜像非骨折侧的肱骨，这样就得到一个与骨折侧肱骨一致的完整的三维镜像肱骨6；分析骨折处的骨折面14及骨块5尺寸，生成三维的骨折面14及骨块5；通过将镜像肱骨6三维图像及骨折骨及其骨折面14和骨块5的三维图像并排放置，对照镜像肱骨6对骨折面14及骨折块进行重组，
当肱骨头4骨折需肱骨头4置换时，在镜像肱骨6及骨折面14下相同位置形成一个横断面7，横断面7下设置肱骨头杆进孔8；横断面7将镜像肱骨6分为两部分，一部分为上段肱骨头4结构，下部分为肱骨干1结构，所述肱骨头4结构横断面7处设置肱骨头杆9。
当骨折面14没有在肱骨头4处时，在骨折面14附近合理设置进钉孔11；所述进钉孔11外侧反向拟合接骨板12，接骨板12上对应设置钉孔13。最后将所有的三维图像转化成3D打印机识别的STL格式，进行3D打印。
实施例2一种3D打印的肱骨模型
一种3D打印的肱骨模型，其包括肱骨干1，肱骨近端2，肱骨远端3、骨折面14和/或10块以内骨块5；其中，肱骨模型还包括一3D打印的骨折肱骨对侧肱骨的镜像肱骨6结构，当骨折面14在肱骨头4处且需要肱骨头4置换时，在骨折面14下设置一横断面7，横断面7下设置肱骨头杆进孔8；镜像肱骨6结构上对应设置横断面7，横断面7将镜像肱骨6分为两部分，一部分为上段肱骨头4结构，下部分为肱骨干1结构，肱骨头4结构横断面7处设置肱骨头杆9。横断面7及肱骨头杆进孔8及肱骨头杆9的设置可以方便对手术部位的外观了解，及模拟手术操作，为肱骨头4置换提供很好的指导作用。横断面7设置在肱骨头4末端，并不经过肱骨大小结节。此种设置可以有效保证肱骨头4置换术的角度，保证置换的效果。3D打印模型为1:1比例模型。等大设置可以保证模拟操作的真实性。通过1：1模型可以直观的了解各个部分的尺寸，方便协助挑选合适尺寸的肱骨头4假体。另外因为骨折骨断裂进行组合拼接过程繁琐，而且人体的两侧肱骨基本对称，可以把对称肱骨的镜像肱骨6结构与骨折骨进行比较，进行手术过程中的对比操作，方便医生进行比对，另外通过骨折骨与镜像肱骨6结构设置可以非常直观的让患者了解自己的情况，且容易指导年前临床医生学习，通过直观的结构让年轻医生了解操作的步骤及操作的角度，协助年轻临床医生尽快成熟起来。
实施例3一种3D打印的肱骨模型
一种3D打印的肱骨模型，其包括肱骨干1，肱骨近端2，肱骨远端3、骨折面14和/或10块以内骨块5；其中，肱骨模型还包括一3D打印的骨折肱骨对侧肱骨的镜像肱骨6结构，当骨折面14在肱骨头4处且需要肱骨头4置换时，在骨折面14下设置一横断面7，横断面7下设置肱骨头杆进孔8；镜像肱骨6结构上对应设置横断面7，横断面7将镜像肱骨6分为两部分，一部分为上段肱骨头4结构，下部分为肱骨干1结构，肱骨头4结构横断面7处设置肱骨头杆9。横断面7及肱骨头杆进孔8及肱骨头杆9的设置可以方便对手术部位的外观了解，及模拟手术操作，为肱骨头4置换提供很好的指导作用。横断面7设置在肱骨头4末端，并不经过肱骨大小结节。此种设置可以有效保证肱骨头4置换术的角度，保证置换的效果。还设置一个性化3D打印的肱骨头4置换假体10，个性化的设置针对性强，针对患者自身设置，吻合度高，可操作性强，术后恢复效果好。假体的材料为钛合金材料。
实施例4一种3D打印的肱骨模型
一种3D打印的肱骨模型，其包括肱骨干1，肱骨近端2，肱骨远端3、骨折面14和/或10块以内骨块5；其中，肱骨模型还包括一3D打印的骨折肱骨对侧肱骨的镜像肱骨6结构，当骨折面14没有在肱骨头4处时，或不需要肱骨头4手术时，骨折面14附近设置接骨板12进钉孔11。模型还包括反向拟合的接骨板12，接骨板12上对应进钉孔11设置钉孔13。骨块5数目为5块以内，5块以内的骨块5可以实现骨块5的拼接，拼接后的接骨手术，否则过多骨块5不利于接骨术进行。3D打印模型为1:1比例模型。等大设置可以保证模拟操作的真实性。
实施例5一种3D打印的肱骨模型
一种3D打印的肱骨模型，其包括肱骨干1，肱骨近端2，肱骨远端3、骨折面14和/或10块以内骨块5；其中，肱骨模型还包括一3D打印的骨折肱骨对侧肱骨的镜像肱骨6结构，当骨折面14没有在肱骨头4处时，或不需要肱骨头4手术时，骨折面14附近设置接骨板12进钉孔11。模型还包括反向拟合的接骨板12，接骨板12上对应进钉孔11设置钉孔13。骨块5数目为5块以内，5块以内的骨块5可以实现骨块5的拼接，拼接后的接骨手术，否则过多骨块5不利于接骨术进行。根据重组顺序在各块骨块5上设置编号，通过在计算机***下进行模拟拼接，并对骨块5进行编号，可以更好的指导医生操作。3D打印模型为1:1比例模型。等大设置可以保证模拟操作的真实性。
上述实施例的说明只是用于理解本发明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也将落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种3D打印的肱骨模型，其包括肱骨干（1），肱骨近端（2），肱骨远端（3）、骨折面（14）和/或10块以内骨块（5）；其特征在于，所述肱骨模型还包括一3D打印的骨折肱骨对侧肱骨的镜像肱骨（6）结构，在骨折面（14）附近设置进钉孔（11）或者其他手术过程中需要的结构；当骨折面（14）在肱骨头（4）处且需要肱骨头（4）置换时，在骨折面（14）下设置一横断面（7），横断面（7）下设置肱骨头杆进孔（8）；所述镜像肱骨（6）结构上对应设置横断面（7），横断面（7）将镜像肱骨（6）分为两部分，一部分为上段肱骨头（4）结构，下部分为肱骨干（1）结构，所述肱骨头（4）结构横断面（7）处设置肱骨头杆（9）；横截面设置在肱骨头（4）末端，并不经过肱骨大小结节；根据重组顺序在各块骨块上设置编号，通过在计算机***下进行模拟拼接，并对骨块进行编号。
2.根据权利要求1所述的3D打印的肱骨模型，其特征在于，还设置一3D打印的肱骨头（4）置换假体（10）。
3.根据权利要求2所述的3D打印的肱骨模型，其特征在于，所述假体的材料为钛合金材料。
4.根据权利要求1所述的3D打印的肱骨模型，其特征在于，当骨折面（14）没有在肱骨头（4）处时，或不需要肱骨头（4）手术时，所述骨折面（14）附近设置接骨板（12）进钉孔（11）。
5.根据权利要求4所述的3D打印的肱骨模型，其特征在于，所述模型还包括反向拟合的接骨板（12），接骨板（12）上对应进钉孔（11）设置钉孔（13）。
6.权利要求1所述的3D打印的肱骨模型的制备方法为：
1）通过X片或CT扫描获得患者两侧肱骨及骨折处的影像及数据；
2）将数据导入计算机中进行分析，对两侧肱骨进行分析，通过调整分析使非骨折侧肱骨与骨折侧肱骨镜像对称，后镜像非骨折侧的肱骨，这样就得到一个与骨折侧肱骨一致的完整的三维镜像肱骨（6）；
3）分析骨折处的骨折面（14）及骨块（5）尺寸，生成三维的骨折面（14）及骨块（5）；
4）通过将镜像肱骨（6）三维图像及骨折骨及其骨折面（14）和骨块（5）的三维图像并排放置，对照镜像肱骨（6）对骨折面（14）及骨折块进行重组，在骨折面（14）附近设置进钉孔（11）或在骨折面（14）下设置横断面（7）；
5）将所有的三维图像转化成3D打印机识别的格式，进行3D打印。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述CT扫描方式为64排螺旋CT扫描。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，当肱骨头（4）骨折需肱骨头（4）置换时，在镜像肱骨（6）及骨折面（14）下相同位置形成一个横断面（7），横断面（7）下设置肱骨头杆进孔（8）；横断面（7）将镜像肱骨（6）分为两部分，一部分为上段肱骨头（4）结构，下部分为肱骨干（1）结构，所述肱骨头（4）结构横断面（7）处设置肱骨头杆（9）；当骨折面（14）没有在肱骨头（4）处时，在骨折面（14）附近合理设置进钉孔（11）。
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