CN110115628A - 一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法 - Google Patents

一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法。本发明提供一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，包括：获取第一外侧基准点和第二外侧基准点；获得第一内侧基准点；获得第二内侧基准点；获得第一基准面；获得第二基准面；构建获得匹配模板本体模型；构建握持部。本发明所提供的构建方法基于病人术前扫描CT重建得到的三维模型，利用3D打印成型后，通过该构建方法构建获得的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板可以用于术中胫骨切开后角度的撑开，可以有效避免手术过程中的误差，并可以大量节省手术时间，具有良好的产业化前景。

Description

一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法。
背景技术
胫骨高位截骨用于治疗膝内翻引起的骨关节炎等病症，术中完成截骨后需要旋转胫骨至目标力线位置，以平衡膝关节内外侧传导的重力，如图1所示。但医生在术中对于胫骨应该旋转至什么位置，缺乏方便的指导。目前临床普遍方法是术中通过多次透视，逐步旋转至理想位置。该方式延迟了手术时间，同时存在较大误差，而过多的透视增加了病人和医生的受到辐射的风险。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，包括：
基于胫骨三维模型获取第一外侧基准点和第二外侧基准点，所述胫骨三维模型包括截骨面和胫骨旋转铰链点，所述第一外侧基准点和第二外侧基准点位于截骨面与胫骨截骨侧外表面，且第一外侧基准点、胫骨旋转铰链点、第二外侧基准点按负重位下冠状面方向依次排列，且在负重位下冠状面方向上第一外侧基准点、胫骨旋转铰链点两者的投影之间的距离为40～50mm，在负重位下冠状面方向上胫骨旋转铰链点、第二外侧基准点两者的投影之间的距离为30～40mm；
基于第一外侧基准点构建获得第一内侧基准点，所述第一内侧基准点位于截骨面上，第一外侧基准点与第一内侧基准点之间的距离为20～50mm，第一外侧基准点与第一内侧基准点的连线与负重位下冠状面方向的夹角为85～90°；
基于第二外侧基准点构建获得第二内侧基准点，所述第二内侧基准点位于截骨面上，第二外侧基准点与第二内侧基准点之间的距离为20～50mm，第二外侧基准点与第二内侧基准点的连线与负重位下冠状面方向的夹角为85～90°；
基于第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点、第二内侧基准点获得第一基准面；
基于第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点和第二内侧基准点，以负重位下冠状面方向作为轴线，向胫骨内侧方向旋转8～15度，获得第二基准面；
基于第一基准面和第二基准面构建获得匹配模板本体模型；
基于匹配模板本体模型的外侧面，构建握持部。
在本发明一些实施方式中，所述胫骨旋转铰链点通常位于胫骨正面的表面，且与胫骨平台在冠状面上的投影之间的距离为10～25mm、与腓骨头尖端在冠状面上的投影之间的距离为10～20mm。
在本发明一些实施方式中，所述第一基准面为第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点、第二内侧基准点之间的连线所形成的四边形。
在本发明一些实施方式中，所述握持部包括指向部。
在本发明一些实施方式中，所述握持部的延伸方向与第一外侧基准点和第一内侧基准点的连线方向之间的角度通常≤20°，所述握持部的长度为30～50mm。
在本发明一些实施方式中，所述握持部为截面为三角形的柱形。
本发明另一方面提供一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法，所述方法包括：根据所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法构建获得的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型，制备个性化胫骨高位截骨角度匹配模板。
本发明另一方面提供一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板，由所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法构建获得、或由所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法制备获得。
本发明另一方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法的步骤、或如权利要求7所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法的步骤。
本发明另一方面提供一种设备，包括：处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法的步骤、或所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法的步骤。
附图说明
图1显示为胫骨撑开角度前后示意图。
图2显示为本发明个性化胫骨高位截骨角度匹配模板示意图。
图3显示为本发明负重位下冠状面方向示意图。
图4显示为本发明基准面模拟示意图。
图5显示为本发明匹配模板本体模型放样示意图。
图6显示为本发明握持部构建示意图。
具体实施方式
本发明发明人经过大量实践研究，提供了一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，其所构建获得的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板可以有效避免手术过程中的误差，在此基础上完成了本发明。
本发明第一方面提供一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，包括：
S1)基于胫骨三维模型获取第一外侧基准点和第二外侧基准点，所述胫骨三维模型包括截骨面和胫骨旋转铰链点，所述第一外侧基准点和第二外侧基准点位于截骨面与胫骨截骨侧外表面，且第一外侧基准点、胫骨旋转铰链点、第二外侧基准点按负重位下冠状面方向依次排列，且在负重位下冠状面方向上第一外侧基准点、胫骨旋转铰链点两者的之间的距离为40～50mm，在负重位下冠状面方向上胫骨旋转铰链点、第二外侧基准点两者的之间的距离为30～40mm；
S2)基于第一外侧基准点构建获得第一内侧基准点，所述第一内侧基准点位于截骨面上，第一外侧基准点与第一内侧基准点之间的距离为20～50mm，第一外侧基准点与第一内侧基准点的连线与负重位下冠状面方向的夹角为85～90°；
S3)基于第二外侧基准点构建获得第二内侧基准点，所述第二内侧基准点位于截骨面上，第二外侧基准点与第二内侧基准点之间的距离为20～50mm，第二外侧基准点与第二内侧基准点的连线与负重位下冠状面方向的夹角为85～90°；
S4)基于第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点、第二内侧基准点获得第一基准面；
S5)基于第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点和第二内侧基准点，以负重位下冠状面方向作为轴线，向胫骨内侧方向旋转8～15度，获得第二基准面；
S6)基于第一基准面和第二基准面构建获得匹配模板本体模型；
S7)基于匹配模板本体模型的外侧面，构建握持部。
本发明所提供的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，可以包括：获取胫骨三维模型，所述胫骨三维模型通常可以包括胫骨由胫骨平台至踝关节的各区域。所述胫骨三维模型通常可以通过CT数据导入软件后获得，具体可以是例如Medraw、mimics等软件。所述胫骨三维模型通常可以包括截骨面和胫骨旋转铰链点，所述截骨面可以是平面、且通常距离胫骨平台30～40mm，所述截骨面通常与冠状面(是沿左、右方向将人体纵切为前后两部分的断面)垂直且经过胫骨旋铰链点和腓骨头尖端，所述胫骨旋转铰链点通常位于胫骨正面的表面，且与胫骨平台在冠状面上的投影之间的距离为10～25mm、与腓骨头尖端在冠状面上的投影之间的距离为10～20mm。
本发明所提供的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，可以包括：基于胫骨三维模型获取第一外侧基准点和第二外侧基准点，所述胫骨三维模型包括截骨面和胫骨旋转铰链点，所述第一外侧基准点和第二外侧基准点位于截骨面与胫骨截骨侧外表面，且第一外侧基准点、胫骨旋转铰链点、第二外侧基准点在负重位下冠状面方向上依次排列，且在负重位下冠状面方向上第一外侧基准点、胫骨旋转铰链点两者的投影之间的距离为40～50mm，在负重位下冠状面方向上胫骨旋转铰链点、第二外侧基准点两者的投影之间的距离为30～40mm。通常可以基于胫骨三维模型获取多个基准点，所述多个基准点包括第一外侧基准点和第二外侧基准点，所述多个基准点位于截骨面与胫骨截骨侧外表面(即需要进行截骨手术的胫骨一侧)，即位于两个面的交界线上，按负重位下冠状面方向(负重位下冠状面方向通常过胫骨旋转铰链点，且垂直于冠状面，即如图3所示的Y轴的正方向，Y轴的方向定义为患者负重位下冠状面方向，Z轴的定义为由踝关节中心指向膝关节中心所形成的方向向量在冠状面上的投影方向，X轴的方向则有Y轴和Z轴方向对应确定)，第一外侧基准点、胫骨旋转铰链点、第二外侧基准点在Y轴上的投影依次排列。第一外侧基准点、第二外侧基准点分别与胫骨旋转铰链点形成一定距离，从而可以形成完整的第一基准面。
本发明所提供的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，可以包括：基于第一外侧基准点构建获得第一内侧基准点，所述第一内侧基准点位于截骨面上，第一外侧基准点与第一内侧基准点之间的距离为20～50mm，第一外侧基准点与第一内侧基准点的连线与负重位下冠状面方向的夹角为85～90°。第一外侧基准点沿截骨面向胫骨内延伸一定距离可以获得第一内侧基准点，其延伸方向与负重位下冠状面方向的夹角可以为如上所述的角度，具体可以为第一外侧基准点与第一内侧基准点的连线与截骨面上的Y轴方向之间的角度。
本发明所提供的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，可以包括：基于第二外侧基准点构建获得第二内侧基准点，所述第二内侧基准点位于截骨面上，第二外侧基准点与第二内侧基准点之间的距离为20～50mm，第二外侧基准点与第二内侧基准点的连线与负重位下冠状面方向的夹角为85～90°。第二外侧基准点沿截骨面向胫骨内延伸一定距离可以获得第二内侧基准点，其延伸方向与负重位下冠状面方向的夹角可以为如上所述的角度，具体可以为第二外侧基准点与第二内侧基准点的连线与截骨面上的Y轴方向之间的角度。
本发明所提供的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，可以包括：基于第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点、第二内侧基准点获得第一基准面。在本发明一优选实施方式中，所述第一基准面为第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点、第二内侧基准点之间的连线所形成的四边形。
本发明所提供的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，可以包括：基于第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点和第二内侧基准点，以负重位下冠状面方向作为轴线(即如图3所示的Y轴)，向胫骨内侧方向旋转8～15度(胫骨外侧通常指腓骨所在一侧，另一侧则为胫骨内侧)，获得第二基准面，具体如图4所示。获得第二基准面，可以是基于第一基准面直接进行旋转，也可以是先将第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点和第二内侧基准点进行旋转，再将旋转后四个点对应获得的点连接，从而获得第二基准面。第一基准面的外缘和第二基准面的外缘通常与胫骨表面基本匹配，从而保证匹配模板本体的外壁可以与胫骨手术外壁相匹配。
本发明所提供的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，可以包括：基于第一基准面和第二基准面构建获得匹配模板本体模型。基于两个平面构建模型的方法对于本领域技术人员来说应该是已知的，例如，如图5所示，可以基于旋转前后两个平面上所对应的点进行矩形放样，从而构建获得立体的匹配模板本体模型。
本发明所提供的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，可以包括：基于匹配模板本体模型的外侧面，构建握持部。所述握持部包括指向部，用于方便确定匹配模板本体模型的正反面。所述握持部的形状没有特殊限制，其延伸方向通常与第一外侧基准点和第一内侧基准点的连线方向基本一致，例如，所述握持部的延伸方向与第一外侧基准点和第一内侧基准点的连线方向之间的角度通常≤20°，所述握持部的长度可以为30～50mm，所述握持部可以为柱形，柱形的截面面积可以为170～850mm2，截面形状可以为三角形，如图6所示，三角形的一条边可以指向匹配模板本体模型的一侧，以作为指向部。
本发明第二方面提供一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法，所述方法包括：根据所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法构建获得的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型，制备个性化胫骨高位截骨角度匹配模板。根据所述的模型制备获得匹配模板的方法对于本领域技术人员来说应该是已知的，例如，可以采用3D打印等方法，所使用的材料可以是光敏树脂等。
本发明第三方面提供一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板，由所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法构建获得、或由所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法制备获得。
本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法的步骤、或所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法的步骤。
本发明第五方面提供一种设备，包括：处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法的步骤、或所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法的步骤。
本发明提供了一种新的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，该构建方法基于病人术前扫描CT重建得到的三维模型，利用3D打印成型后，通过该构建方法构建获得的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板可以用于术中胫骨切开后角度的撑开，可以有效避免手术过程中的误差，并可以大量节省手术时间，具有良好的产业化前景。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
匹配模板坐标系建立：
构建测量块的坐标系有三个相互正交的方向以及一个原点组成，如图3所示。其中坐标系的原点即胫骨旋转铰链点。其位置(X轴方向)距离腓骨近端8mm，(Z轴方向)距离胫骨平台12mm。Y轴的方向定义为患者负重位下冠状面方向，Z轴的定义为由踝关节中心指向膝关节中心所形成的方向向量在冠状面上的投影方向。X轴方向为与Y轴和Z轴相正交的方向。膝关节中心可由胫骨平台的中心参考获得，踝关节中心可由距骨中心参考获得。
匹配模板的构建：
匹配模板的构建分为两部分，分别是匹配模板本体的建模和操作把手部分的建模。再通过布尔运算将两者构建为匹配模板。匹配模板本体的建模通过定义截骨面上的多个关键截面，通过放样功能来构建。操作把手部分的建模通过在测量块中间位置定义一个三角形截面，再拉伸出操作把手的实体模型，其中该三角形的角朝上，边朝下，用于在术中指导医生匹配模板本体的安装方向。
匹配模板匹配部分的构建：
个性化匹配体现在匹配模板的上下表面的边界与撑开后的胫骨模型在截骨面的边界相匹配。构建匹配部分的要点在于获得截骨面与胫骨模型的交点。因此构建的第一步为获得测量块的外侧上沿点，第二步为沿截骨方向延伸一定距离计算出测量块的内侧上沿点。再通过已知的旋转角度计算出测量块内外侧的下沿点。如图4所示，Pk0和Pk1分别是测量块上沿内外侧点，其中1≤k≤n，n＝20。而Qk0和Qk1分别是测量块下沿内外侧点，通过将Pk0和Pk1绕坐标系的Y轴旋转设定的截骨角度获得。Pk1的位置可通过下式(1)获得，其中X为坐标系的X轴方向向量，L为测量块的深度，范围为L＝20mm：
Pk1＝Pk0+X×L (1)
通过Pk0Pk1Qk1Qk0四点构建一个矩形Rk，其中1≤k≤n。将n个矩形放样得到个性化匹配部分，如图5所示。
操作把手部分的构建：
测量把手部分形态为三棱柱，通过将一个三角形沿一定方向拉伸获得，拉伸的方向为坐标系的X轴，拉伸长度为D(50mm)。三角形的三个顶点分别为中间上侧点M，前侧点N，后侧点L，如图6所示。
中间上侧点M，前侧点N以及后侧点L的坐标分别由式(2)，式(3)以及式(4)来计算。
M＝[(Pk0+Pk1)/2]×0.8+[(Qk0+Qk1)/2]×0.2，其中，k＝n/2 (2)；
L＝(Qk0+Qk1)/2，其中，k＝2n/3 (3)；
N＝(Qk0+Qk1)/2，其中，k＝n/3 (4)；
将构建获得的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板用于胫骨高位截骨中，将匹配模块放置在撑开的胫骨模型中，如匹配模块的高度和边沿能与撑开的胫骨模型想匹配，则胫骨旋转到正确的角度，否则还需要进行调整。整个手术过程中，仅需在胫骨旋转到与模块相匹配后可进行一次X光透视，以确认最终角度，相比于常规手术方法(整个手术时间在1.5小时左右，医生平均需要透视4～5次，需要耗时0.5小时左右)，省略了中间不断调整角度时的X光透视，基本避免盲目地使用X线透视，缩短了手术时间，术后病人力线位于术前规划的位置，基本符合预期。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法，包括：
基于胫骨三维模型获取第一外侧基准点和第二外侧基准点，所述胫骨三维模型包括截骨面和胫骨旋转铰链点，所述第一外侧基准点和第二外侧基准点位于截骨面与胫骨截骨侧外表面，且第一外侧基准点、胫骨旋转铰链点、第二外侧基准点按负重位下冠状面方向依次排列，且在负重位下冠状面方向上第一外侧基准点、胫骨旋转铰链点两者的投影之间的距离为40～50mm，在负重位下冠状面方向上胫骨旋转铰链点、第二外侧基准点两者的投影之间的距离为30～40mm；
基于第一外侧基准点构建获得第一内侧基准点，所述第一内侧基准点位于截骨面上，第一外侧基准点与第一内侧基准点之间的距离为20～50mm，第一外侧基准点与第一内侧基准点的连线与负重位下冠状面方向的夹角为85～90°；
基于第二外侧基准点构建获得第二内侧基准点，所述第二内侧基准点位于截骨面上，第二外侧基准点与第二内侧基准点之间的距离为20～50mm，第二外侧基准点与第二内侧基准点的连线与负重位下冠状面方向的夹角为85～90°；
基于第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点、第二内侧基准点获得第一基准面；
基于第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点和第二内侧基准点，以负重位下冠状面方向作为轴线，向胫骨内侧方向旋转8～15度，获得第二基准面；
基于第一基准面和第二基准面构建获得匹配模板本体模型；
基于匹配模板本体模型的外侧面，构建握持部。
2.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述胫骨旋转铰链点位于胫骨正面的表面，且与胫骨平台在冠状面上的投影之间的距离为10～25mm、与腓骨头尖端在冠状面上的投影之间的距离为10～20mm。
3.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述第一基准面为第一外侧基准点、第一内侧基准点、第二外侧基准点、第二内侧基准点之间的连线所形成的四边形。
4.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述握持部包括指向部。
5.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述握持部的延伸方向与第一外侧基准点和第一内侧基准点的连线方向之间的角度通常≤20°，所述握持部的长度为30～50mm。
6.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述握持部为截面为三角形的柱形。
7.一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法，所述方法包括：根据如权利要求1-6任一权利要求所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法构建获得的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型，制备个性化胫骨高位截骨角度匹配模板。
8.一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板，由权利要求1-6任一权利要求所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法构建获得、或由权利要求7所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法制备获得。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一权利要求所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法的步骤、或如权利要求7所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法的步骤。
10.一种设备，包括：处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行如权利要求1-6任一权利要求所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板模型的构建方法的步骤、或如权利要求7所述的个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的制备方法的步骤。
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