CN113069175A - 一种膝关节内外翻截骨矫形导板及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膝关节内外翻截骨矫形导板及其制作方法，其是通过所述的膝关节内外翻截骨矫形导板的制造方法制备得到，所述膝关节内外翻截骨矫形导板的成品包括截骨矫形导板本体、第一截骨导向槽、第二截骨导向槽和克氏针定位导向柱，所述截骨矫形导板本体贴合于患侧骨骼表面，所述第一截骨导向槽和第二截骨导向槽均开设在所述截骨矫形导板本体上且与确定好的截骨角度及截骨位置吻合，所述克氏针定位导向柱安装在所述截骨矫形导板本体上的进针位置处。本发明能制作出针对患者的个性化的截骨导板，能够精准矫正膝关节内外翻，且能保证双侧下肢力线、恢复双侧下肢整体长度。
Description
技术领域
本发明涉及矫形辅助工具设计及加工领域，具体涉及一种膝关节内外翻截骨矫形导板及其制作方法。
背景技术
膝关节内外翻是骨科的常见病，常常继发于佝偻病、小儿麻痹症、外伤及感染等破坏性疾病，导致股骨或胫骨发育畸形，改变下肢力线，导致双下肢长度不均衡，从而引起患肢疼痛、步态及外观异常等。膝内外翻畸形根据患者年龄、畸形情况等可以选择不同的治疗方法，如年龄小、畸形轻的患者可采用手法治疗、支架或夹板矫正术、垫高鞋底矫正、手法折骨术等方法治疗。严重的膝内外翻畸形患者，需要手术截骨矫形。目前常用的截骨术式包括：股骨远端内侧闭合截骨术、股骨远端外侧开放截骨术、胫骨高位内侧开放截骨术、胫骨高位外侧闭合截骨术等。目前，胫骨高位截骨术是膝内翻畸形最常用的治疗方式，股骨远端截骨术是膝外翻畸形主要的治疗方法。
膝关节内外翻矫正的部位和角度对疗效起着重要的作用。传统矫形手术是在X线片上测量计算，由于X线投照角度的关系导致准确性欠佳，而且在二维图像中，对于额状面以外的其它平面的畸形角度无法测量估计，会影响矫形的精度，其实肢体畸形真正意义上来说是多方向、多平面的畸形；而传统截骨矫形手术很难做到从三维空间上矫正，因此传统截骨矫形手术在精确性方面存在明显不足。另外在传统截骨矫形手术过程中，常需要凭借导针定位、术者的个人经验及X光机不断的观察调整来进行矫形，延长了手术时间，可能增加手术并发症，影响手术效果。随着医学影像学、图象处理技术、计算机辅助设计、计算机辅助制作、3D打印技术和人工智能技术的发展，实现了计算机辅助个体化手术设计、RP技术制作个体化外科植入物、在骨骼原型上进行手术预演，将外科手术提升到一个新的阶段一一个体化外科手术阶段，为膝内、外翻畸形的精确分析和矫形手术方案的设计提供了新的手段和方法。因而需要一种针对患者本身的个性化截骨导板，能够精准矫正膝关节内外翻，且能保证双侧下肢力线、恢复双侧下肢整体长度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种膝关节内外翻截骨矫形导板及其制作方法，能制作出针对患者的个性化的截骨导板，能够精准矫正膝关节内外翻，且能保证双侧下肢力线，恢复双侧下肢整体长度，以解决背景技术中提到的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种膝关节内外翻截骨矫形导板的制作方法，包括以下几个步骤：
S1、采集患者畸形膝关节及对应的正常下肢断层CT或MRI扫描数据，获取二维蒙板图像信息并修补，根据二维蒙板图像信息生成畸形膝关节及对应的正常下肢的三维模型；
S2、测量患者畸形膝关节及对应的正常下肢的三维模型的患侧模型和健侧模型的解剖结构参数；
S3、根据测量得到的解剖结构参数结合术前影像学及临床检查计算出患侧模型的畸形参数，确定截骨角度、截骨位置及进针位置，再模拟截骨；
S4、对健侧模型进行镜像操作生成健侧镜像模型，参考健侧镜像模型进行手术模拟，模拟术后效果得到术后模型；
S5、对术后模型进行复位并建立好截骨面，导入计算机辅助设计软件，根据手术入路选取骨骼截骨区域表面拉伸成为截骨导板本体，并根据确定好的截骨位置和克氏针进针位置设计截骨导向槽和克氏针定位导向孔，得到截骨矫形导板模型；
S6、将截骨矫形导板模型的源文件导入3D打印软件，摆放空间位置，对垂悬结构添加支撑，进行分层切片处理，得到二维信息数据；
S7、利用二维信息数据生成扫描路径，导入3D打印设备，设置工艺参数，打印出截骨矫形导板；
S8、打磨喷砂截骨矫形导板，得到截骨矫形导板的成品；
其中，所述的参考健侧镜像模型进行手术模拟的具体过程是:先将股骨远端旋转并上移至与截骨面贴合，再将胫骨近端上移并前倾，使胫骨角和胫骨骨干角达到正常值，全下肢整体长度保持一致；
若一侧骨骼存在不同程度的畸形，另一侧骨骼发育正常无畸形，则将健侧镜像模型作为矫形标准进行截骨矫形；
若两侧均有不同程度畸形，则在保证骨与关节的功能结构正常前提下，则以骨与关节解剖结构参数为标准。
进一步地，所述的二维蒙板图像信息是通过医学影像三维重建软件针对患者畸形膝关节及对应的正常部位获取得到，并通过蒙板编辑命令对生成的膝关节二维图像进行修补，将修补完成的二维蒙板图像生成数字化三维模型。
进一步地，所述断层CT或MRI扫描数据以DICOM图像格式进行存储，层厚为0.625～1.5mm。
进一步地，所述患侧模型和健侧模型的解剖结构参数包括且不限于侧及健侧股骨及胫骨长度、股骨角、股骨髁干角、胫骨角及胫骨骨干角。
进一步地，所述模拟截骨的方法是使用切割命令截断骨骼并分离出需要截除的部分。
一种膝关节内外翻截骨矫形导板，其是通过所述的膝关节内外翻截骨矫形导板的制造方法制备得到，所述膝关节内外翻截骨矫形导板的成品包括截骨矫形导板本体、第一截骨导向槽、第二截骨导向槽和克氏针定位导向柱，所述截骨矫形导板本体贴合于患侧骨骼表面，所述第一截骨导向槽和第二截骨导向槽均开设在所述截骨矫形导板本体上且与所述步骤S3中确定的截骨角度及截骨位置吻合，所述克氏针定位导向柱安装在所述截骨矫形导板本体上的进针位置处。
进一步地，所述克氏针定位导向柱的头端向外延伸出且凸设于所述第一截骨导向槽和所述第二截骨导向槽。
进一步地，所述膝关节内外翻截骨矫形导板的成品为高分子材料导板。
进一步地，所述膝关节内外翻截骨矫形导板的成品为生物陶瓷导板。
本发明的有益效果是：
本发明是通过建立三维解剖模型了解不同个体膝内外翻畸形的严重程度，可以对患者手术部位解剖形态作到心中有数；术前利用计算机辅助进行仿真模拟，直观的对手术效果进行评价，可及时发现手术设计不完善之处以及了解术中可能会碰到的一些困难，能大大缩短真正手术的时间，减少并发症的发生；本发明利用快速成型将CAD设计的辅助截骨模板制作出实物，术中用于引导截骨矫形和内固定，可以将矫形手术提高到更精确的高度；借助于计算机辅助技术和逆向工程和快速成型技术，实现了计算机辅助膝内外翻快速分析和精确矫形，将膝内外翻畸形的精确矫形提升到数字化水平，具有更精确、更可靠、更优良的治疗效果。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的膝关节内外翻截骨矫形导板的制作方法的流程图；
图2为本发明实施例2提供的截骨矫形导板的整体结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的截骨矫形导板的第一视角安装状态的示意图；
图4为本发明实施例2提供的截骨矫形导板的第二视角安装状态的示意图；
图中，1-截骨矫形导板本体，2-第一截骨导向槽，3-第二截骨导向槽，4-克氏针定位导向柱。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请结合参照图1至图4，本实施例提供一种膝关节内外翻截骨矫形导板的制造方法，旨在解决骨科矫形手术中和手术后出现的截骨线偏差、矫形角度不良和截骨面对位失衡等并发症。
需要说明的是，本实施例提供的截骨矫形导板的制造方法是以膝关节内外翻矫形手术中的截骨矫形导板的制造为例来进行阐述的。需要强调的是，在其它实施例当中，并不仅限于本实施例所介绍的膝关节内外翻矫形手术中所用的截骨矫形导板的制造，还可以是其它矫形手术中所用截骨矫形导板的制造过程。
一种膝关节内外翻截骨矫形导板的制作方法，包括以下几个步骤：
S1、采集患者畸形膝关节及对应的正常下肢断层CT或MRI扫描数据，获取二维蒙板图像信息并修补，根据二维蒙板图像信息生成畸形膝关节及对应的正常下肢的三维模型；
具体地，所述的二维蒙板图像信息是通过医学影像三维重建软件针对患者畸形膝关节及对应的正常部位获取得到，并通过蒙板编辑命令对生成的膝关节二维图像进行修补，将修补完成的二维蒙板图像生成数字化三维模型；
这个步骤的作用是：通过将待矫正骨骼的CT或MRI扫描数据导入到医学影像三维重建软件进行计算机模拟建模，使得后续截骨线和截骨角度的确定能够具有一个准确可靠的参考基准，从而保证了术前设计和术中操作以及术后效果的高度一致性。
S2、测量患者畸形膝关节及对应的正常下肢的三维模型的患侧模型和健侧模型的解剖结构参数；
具体地，所述患侧模型和健侧模型的解剖结构参数包括且不限于侧及健侧股骨及胫骨长度、股骨角、股骨髁干角、胫骨角及胫骨骨干角。
这个步骤的作用是：传统矫形手术是在x线片上测量计算，由于X线投照角度等关系，准确性欠佳，而且在二维图像中，对于额状面以外的其它平面的畸形角度无法测量估计，会影响矫形的精度，其实肢体畸形真正意义上来说是多方向、多平面的畸形，通过医学影像重建软件在三维空间坐标上测量患侧模型和健侧模型的解剖结构参数，使得测量的各项解剖结构参数更加准确、为接下来的计算患侧模型畸形参数提供可靠的参考基准。
S3、根据测量得到的解剖结构参数结合术前影像学及临床检查计算出患侧模型的畸形参数，确定截骨角度、截骨位置及进针位置，再模拟截骨；
具体地，所述模拟截骨的方法是使用切割命令截断骨骼并分离出需要截除的部分；
这个步骤的作用是：根据测量计算的畸形参数确定截骨位置及截骨角度，通常膝外翻患者选取股骨远端截骨、膝内翻患者选取胫骨近端高位截骨并按照确定的截骨位置模拟截骨、分离出截除的骨块和保留骨骼，方便进行下一步手术模拟工作。
S4、对健侧模型进行镜像操作生成健侧镜像模型，参考健侧镜像模型进行手术模拟，模拟术后效果得到术后模型；
其中，所述的参考健侧镜像模型进行手术模拟的具体过程是:先将股骨远端旋转并上移至与截骨面贴合，再将胫骨近端上移并前倾，使胫骨角和胫骨骨干角达到正常值，全下肢整体长度保持一致；
若一侧骨骼存在不同程度的畸形，另一侧骨骼发育正常无畸形，则将健侧镜像模型作为矫形标准进行截骨矫形；
若两侧均有不同程度畸形，则在保证骨与关节的功能结构正常前提下，则以骨与关节解剖结构参数为标准。
这个步骤的作用是：通过参考健侧镜像模型对截骨后的患侧模型进行手术模拟、并测量验证术后效果，若术后效果未到达预期则这一步骤可反复调整直到达到理想的矫正结果。
S5、对术后模型进行复位并建立好截骨面，导入计算机辅助设计软件，根据手术入路选取骨骼截骨区域表面拉伸成为截骨导板本体，并根据确定好的截骨位置和克氏针进针位置设计截骨导向槽和克氏针定位导向孔，得到截骨矫形导板模型；
这个步骤的作用是：通过手术模拟得到的术后模型，选取相应的骨骼表面拉伸为导板本体，使截骨导板精准贴合于骨骼表面实现精准定位，并根据确定好的截骨面设置截骨导向槽，用于引导并限制摆锯移动轨迹，以使摆锯在截骨槽内移动将预定的截骨部位精准截除，根据确定好的安全进针位置设计克氏针定位导向柱，用于手术过程中按照预设的进针位置打入克氏针固定，防止截骨导板在使用过程中滑动。
S6、将截骨矫形导板模型的源文件导入3D打印软件，摆放空间位置，对垂悬结构添加支撑，进行分层切片处理，得到二维信息数据；
这个步骤的作用是：通过将所述截骨矫形导板模型沿竖直方向切成若干个切片，获得的分层切片信息，生成3D打印机能够识别的逐层打印二维信息数据。
S7、利用二维信息数据生成扫描路径，导入3D打印设备，设置工艺参数，打印出截骨矫形导板；
这个步骤的作用是：采用3D打印技术将截骨矫形导板模型打印成型，得到实体的截骨矫形导板，相对于传统的成型方式，其具有加工效率高、精度高，并且加工得到的截骨矫形导板的强度高，内部组织应力均匀，发生断裂的概率更低。
S8、打磨喷砂截骨矫形导板，得到截骨矫形导板的成品；
这个步骤的作用或目的是：通过3D打印成型的截骨矫形导板，导板表面会有一些残留支撑材料，需要进行打磨、喷砂等后处理工作。
本发明是通过建立三维解剖模型了解不同个体膝内外翻畸形的严重程度，可以对患者手术部位解剖形态作到心中有数；术前利用计算机辅助进行仿真模拟，直观的对手术效果进行评价，可及时发现手术设计不完善之处以及了解术中可能会碰到的一些困难，能大大缩短真正手术的时间，减少并发症的发生；本发明利用快速成型将CAD设计的辅助截骨模板制作出实物，术中用于引导截骨矫形和内固定，可以将矫形手术提高到更精确的高度；借助于计算机辅助技术和逆向工程和快速成型技术，实现了计算机辅助膝内外翻快速分析和精确矫形，将膝内外翻畸形的精确矫形提升到数字化水平，具有更精确、更可靠、更优良的治疗效果。
进一步地，所述断层CT或MRI扫描数据以DICOM图像格式进行存储，层厚为0.625～1.5mm。
这个步骤的作用是：医疗影像三维重建的关键在于CT、MRI等扫描数据的层厚层间距大小，数值越大重建的精度越差，数值越小重建精度越好，0.625mm～1.5mm效果最佳。
实施例2
一种膝关节内外翻截骨矫形导板，其是通过所述的膝关节内外翻截骨矫形导板的制造方法制备得到，所述膝关节内外翻截骨矫形导板的成品包括截骨矫形导板本体1、第一截骨导向槽2、第二截骨导向槽3和克氏针定位导向柱4，所述截骨矫形导板本体1贴合于患侧骨骼表面，所述第一截骨导向槽2和第二截骨导向槽3均开设在所述截骨矫形导板本体1上且与所述步骤S3中确定的截骨角度及截骨位置吻合，所述克氏针定位导向柱4安装在所述截骨矫形导板本体1上的进针位置处。
进一步地，所述克氏针定位导向柱4的头端向外延伸出且凸设于所述第一截骨导向槽2和所述第二截骨导向槽3。
进一步地，所述膝关节内外翻截骨矫形导板的成品为高分子材料导板。
进一步地，所述膝关节内外翻截骨矫形导板的成品为生物陶瓷导板。
所述的高分子材料导板和生物陶瓷导板均是一种新型的生物降解材料，其使用可再生的植物资源中的淀粉制成。需要说明的是，在本实施例当中使用这些材料不仅是因为其可生物降解和生物相容性好的优点，而且也是由于其还具有获取容易、价格低廉、加工成型性好和强度高等诸多优点。需要强调的是，在其它实施例当中，并不仅限于本实施例介绍的这些材料，还可以是其它类型的材料，只要具备良好的生物相容性和较高的机械性能，并且能满足截骨术中截骨矫形导板应该具备的性能要求即可。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种膝关节内外翻截骨矫形导板的制作方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
S1、采集患者畸形膝关节及对应的正常下肢断层CT或MRI扫描数据，获取二维蒙板图像信息并修补，根据二维蒙板图像信息生成畸形膝关节及对应的正常下肢的三维模型；
S2、测量患者畸形膝关节及对应的正常下肢的三维模型的患侧模型和健侧模型的解剖结构参数；
S3、根据测量得到的解剖结构参数结合术前影像学及临床检查计算出患侧模型的畸形参数，确定截骨角度、截骨位置及进针位置，再模拟截骨；
S4、对健侧模型进行镜像操作生成健侧镜像模型，参考健侧镜像模型进行手术模拟，模拟术后效果得到术后模型；
S5、对术后模型进行复位并建立好截骨面，导入计算机辅助设计软件，根据手术入路选取骨骼截骨区域表面拉伸成为截骨导板本体，并根据确定好的截骨位置和克氏针进针位置设计截骨导向槽和克氏针定位导向孔，得到截骨矫形导板模型；
S6、将截骨矫形导板模型的源文件导入3D打印软件，摆放空间位置，对垂悬结构添加支撑，进行分层切片处理，得到二维信息数据；
S7、利用二维信息数据生成扫描路径，导入3D打印设备，设置工艺参数，打印出截骨矫形导板；
S8、打磨喷砂截骨矫形导板，得到截骨矫形导板的成品；
其中，所述的参考健侧镜像模型进行手术模拟的具体过程是:先将股骨远端旋转并上移至与截骨面贴合，再将胫骨近端上移并前倾，使胫骨角和胫骨骨干角达到正常值，全下肢整体长度保持一致；
若一侧骨骼存在不同程度的畸形，另一侧骨骼发育正常无畸形，则将健侧镜像模型作为矫形标准进行截骨矫形；
若两侧均有不同程度畸形，则在保证骨与关节的功能结构正常前提下，则以骨与关节解剖结构参数为标准。
2.根据权利要求1所述的膝关节内外翻截骨矫形导板的制作方法，其特征在于：所述的二维蒙板图像信息是通过医学影像三维重建软件针对患者畸形膝关节及对应的正常部位获取得到，并通过蒙板编辑命令对生成的膝关节二维图像进行修补，将修补完成的二维蒙板图像生成数字化三维模型。
3.根据权利要求1所述的膝关节内外翻截骨矫形导板的制作方法，其特征在于：所述断层CT或MRI扫描数据以DICOM图像格式进行存储，层厚为0.625～1.5mm。
4.根据权利要求1所述的膝关节内外翻截骨矫形导板的制作方法，其特征在于：所述患侧模型和健侧模型的解剖结构参数包括且不限于侧及健侧股骨及胫骨长度、股骨角、股骨髁干角、胫骨角及胫骨骨干角。
5.根据权利要求1所述的膝关节内外翻截骨矫形导板的制作方法，其特征在于：所述模拟截骨的方法是使用切割命令截断骨骼并分离出需要截除的部分。
6.一种膝关节内外翻截骨矫形导板，其特征在于，其是通过权利要求1-5任一项所述的膝关节内外翻截骨矫形导板的制造方法制备得到，所述膝关节内外翻截骨矫形导板的成品包括截骨矫形导板本体(1)、第一截骨导向槽(2)、第二截骨导向槽(3)和克氏针定位导向柱(4)，所述截骨矫形导板本体(1)贴合于患侧骨骼表面，所述第一截骨导向槽(2)和第二截骨导向槽(3)均开设在所述截骨矫形导板本体(1)上且与所述步骤S3中确定的截骨角度及截骨位置吻合，所述克氏针定位导向柱(4)安装在所述截骨矫形导板本体(1)上的进针位置处。
7.根据权利要求6所述的膝关节内外翻截骨矫形导板，其特征在于：所述克氏针定位导向柱(4)的头端向外延伸出且凸设于所述第一截骨导向槽(2)和所述第二截骨导向槽(3)。
8.根据权利要求6所述的膝关节内外翻截骨矫形导板，其特征在于：所述膝关节内外翻截骨矫形导板的成品为高分子材料导板。
9.根据权利要求6所述的膝关节内外翻截骨矫形导板，其特征在于：所述膝关节内外翻截骨矫形导板的成品为生物陶瓷导板。
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