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一種提高脊柱手術置釘精度的金屬導板及其制造方法

文檔序號:10497404閱讀:430來源:國知局
一種提高脊柱手術置釘精度的金屬導板及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高脊柱手術置釘精度的金屬導板及其制造方法,主要步驟包括:基于病患脊椎的CT/MRI掃描原始數(shù)據(jù),通過分割編輯處理,提取病患目標脊椎模型數(shù)據(jù);將CAD數(shù)據(jù)導入Geomagic,進行骨頭內部噪點的去除指令獲得三維實體;根據(jù)提取出的脊椎模型,在其上模擬植釘路徑,并根據(jù)脊椎形狀位置提取與之接觸的曲面,用長方形進行裁剪得到與接觸部位形狀相應的手術導板;確定導向孔和定位孔位置;對脊椎植入假體三維CAD數(shù)據(jù)模型導入Magics17.0中進行處理,獲得脊椎植入假體的多層切片二維CAD數(shù)據(jù)模型文件并導入3D打印及獲得手術導板;本制造方法避免了術者依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗或導航系統(tǒng)等昂貴的設備,且不依賴術中透視,不受體位變化影響,縮短了學習曲線和標記。
【專利說明】
一種提高脊柱手術置釘精度的金屬導板及其制造方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及基于金屬3D打印的醫(yī)療器械部件,尤其涉及一種提高脊柱手術置釘精度的金屬導板及其制造方法。
【背景技術】
[0002]脊柱外科手術是骨科手術中的尖端領域,脊柱的椎管容納的是脊髓,脊柱的周圍包繞著重要的血管,手術操作必須做到精準無誤才能保障手術的安全。傳統(tǒng)脊柱外科手術中,通常是使用椎弓根探針建立螺釘通道,套針是尖端較鈍、呈錐形,因此在鉆透椎弓根的松質骨同時可以避免鉆孔過深。術者對椎弓根螺釘置釘時的位置判斷往往取決術者自身的經(jīng)驗:如果探針推進較為困難,那么前方可能是皮質骨;相反,如果前方阻擋感過小,探針可能穿透了骨皮質,術者需改變進針方向。由于該類型的手術主要是通過醫(yī)生的經(jīng)驗進行操作,嚴重依賴醫(yī)生個人能力高低,所以手術效果盡不理想,可靠度較低,經(jīng)驗不足的醫(yī)生則需要長時間的學習和練習才能實施手術,很難達到理論上的精確度。
[0003]目前能將術前設計精確植入術中操作的技術是手術導航,通過昂貴而大型的手術導航儀和術中實時的CT和MRI檢查實現(xiàn)手術對象和映像資料的配準,這些設備不但價格過于昂貴,還因為難以掌握和操作復雜無法在醫(yī)院中普及。近年來,出現(xiàn)了基于3D打印的金屬手術導板,早期用于3D打印的材料以非金屬材料為主,包括光敏樹脂,石膏粉末,PV塑料等。非金屬材料的3D打印機在臨床應用時,僅能復制患者的脊椎模型,供手術醫(yī)生觀摩和手術比較,無法通過3D技術定制個性化的手術工具和手術置入物供手術使用。另外,以樹脂材料打印的導航模版雖然制作速度塊,成本低,但樹脂材料制作的導航模版存在以下缺陷:①樹脂模版的打印精度差,模版與金屬鉆頭之間的間隙較大,導航偏差較大。②模版質地較脆,在手術消毒過程中容易損壞或變形;③模版使用過程需要用手把持貼合,無法和骨實現(xiàn)固定和完全貼合。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足,提供一種提高脊柱手術置釘精度的金屬導板及其制造方法;通過計算機輔助個性化設計,基于金屬3D打印的金屬導板以更準確的確定脊柱置釘?shù)奈恢?,提高手術精度,提高臨床治療效果。
[0005]本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn):
[0006]—種提高脊柱手術置釘精度的手術導板制造方法,包括下述步驟:
[0007]S1、基于病患脊椎的DICOM格式的CT/MRI掃描原始數(shù)據(jù),通過分割、編輯、三維計算處理,提取病患目標脊椎模型數(shù)據(jù),輸出三維CAD數(shù)據(jù);
[0008]S2、將三維CAD數(shù)據(jù)導入Geomagic,進行骨頭內部噪點的去除包括通過參數(shù)曲面等指令獲得三維實體,保存為STEP AP203格式文件;
[0009]S3、將三維CAD數(shù)據(jù)導入CAD如SolidWorks 2016中,根據(jù)提取出的脊椎模型,在其上模擬植釘路徑,并根據(jù)脊椎形狀位置提取與之接觸的曲面,用大小適宜的長方形進行裁剪,再向外加厚該曲面,得到與接觸的曲面形狀相應的手術導板13;確定導向孔10和定位孔11在手術導板13上的位置;添加供醫(yī)生夾持的手柄12;獲得脊椎植入假體三維CAD數(shù)據(jù)模型,并輸出三維CAD數(shù)據(jù);
[0010]S4、對脊椎植入假體三維CAD數(shù)據(jù)模型導入快速成型輔助軟件Magicsl7.0中進行處理,包括擺放定位、添加支撐、切片分層,獲得脊椎植入假體的多層切片二維CAD數(shù)據(jù)模型文件;
[0011]S5、將多層切片二維CAD數(shù)據(jù)模型文件導入激光選區(qū)熔化3D打印設備,設置加工工藝參數(shù)、打印,將得到的產品去除支撐,并獲得所需形狀的手術導板13;
[0012]S6、將手術導板13進行打磨、噴砂、拋光等步驟,并進行高溫消毒,待臨床應用。
[0013]上述步驟S5所述設置加工工藝參數(shù),包括激光功率150-200W、掃描速度400-600mm/s、加工層厚20-50微米、激光光斑直徑50-70微米、掃描間距80微米,激光掃描策略為正交溝邊掃描;對鈦合金粉末進行激光選區(qū)熔化層層疊加成型,將加工得到的產品去除支撐,從而制得所需形狀的手術導板13。
[0014]上述步驟SI所述提取病患目標脊椎模型數(shù)據(jù),具體為提取患者需替換脊椎的相鄰兩個脊椎的CAD數(shù)據(jù)模型,該模型為患者脊椎的原生形態(tài)。
[0015]上述步驟S3所述導向孔10直徑為3.0mm,長度為10mm,壁厚0.2mm,用于在手術過中供術者置釘,確定進釘位置和方向。
[0016]上述步驟S3所述根據(jù)脊椎形狀位置提取與之接觸的曲面,該曲面選擇在脊椎模型中的頸椎后弓處。
[0017]—種提高脊柱手術置釘精度的手術導板(材料為鈦合金、鈷鉻合金或316L不銹鋼材料),其結構包括:
[0018]與術者脊椎結合部位形狀相應的手術導板13;
[0019]用于在置釘過程中對置釘進行導向的導向孔10;所述導向孔10為兩個,分別設置在手術導板13的兩個端部。
[0020]用于在置釘過程中對手術導板13進行位置固定的定位孔11;所述定位孔11為兩個,分布在距離手術導板13中心位置8mm?I Omm處。
[0021]以及,用于在置釘過程中醫(yī)生為穩(wěn)固手術導板13,而設置在手術導板13上的手柄12。所述手柄12包括供醫(yī)生的食指與中指夾持的支撐桿12-1,支撐桿12-1的一端設置在手術導板13的中心部位,另一端設置有供醫(yī)生拇指按壓或按住的圓盤12-2。所述圓盤12-2的棱角處為倒圓角結構。
[0022]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術,具有如下的優(yōu)點及效果:
[0023]本發(fā)明采用計算機輔助設計技術,提取人樞椎骨骼解剖特征,設計個性化手術導板,實現(xiàn)了個性化的需求,導板與患者的解剖完美匹配,置釘精準,減少醫(yī)源性手術并發(fā)癥的發(fā)生。避免了傳統(tǒng)依靠術者經(jīng)驗或導航系統(tǒng)等昂貴的設備,且不依賴術中透視,不受體位變化的影響,縮短了學習曲線和標記。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明提高脊柱手術置釘精度的金屬導板制備過程框圖。
[0025]圖2是在三維CAD中脊椎模型(圖中A所示)與手術導板模型的配合示意圖。
[0026]圖3是手術導板結構不意圖;圖中B為貼合面。
【具體實施方式】
[0027]下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步具體詳細描述。
[0028]實施例
[0029]如圖1至3所示。本發(fā)明是利用工業(yè)設計軟件與醫(yī)學軟件相結合,根據(jù)不同患者的手術方案設計個性化的貼合頸椎表面的手術導板。術者通過導板進行定位、置釘,降低手術中的風險,縮短手術時間,減少手術對患者的傷害。
[0030]本發(fā)明利用醫(yī)學軟件mimicsie.0將患者的CT掃描數(shù)據(jù)轉化為三維信息,提取目標頸椎,保存為STL格式。再利用醫(yī)學軟件geomagic進行進一步光滑及去噪點處理,并保存為STEP AP203格式。
[0031]將保存的STEP AP203格式文件導入工業(yè)設計軟件solidworks2016,繪制所述手術導板,具體步驟為:由于行后路寰樞椎固定術,所以曲面的選擇在頸椎后弓處,用大小適宜的長方形進行裁剪,再向外加厚該曲面得到貼合面B;各導向孔10選擇的原則是釘子能打到側塊,同時引用的后弓面盡量為最小。為避開重要的神經(jīng)血管,應保證螺釘埋在側塊中。兩個定位孔11則與手術導板13的中心位置距離大約1mm左右,方向為所在曲面的法向方向;為了在置釘手術過程中穩(wěn)固手術導板13,在手術導板13中間處添加供醫(yī)生夾持的手柄12,食指與中指夾著支撐桿12-1,拇指按住圓盤12-2;為了考慮夾持的舒適,應將圓盤12-2的棱角處倒圓角。將主體輪廓在包含導向孔10的基礎上盡量縮小,以減少對患者的傷害;將模型保存并輸出STL文件。
[0032]將獲得的多層切片二維CAD數(shù)據(jù)模型文件導入激光選區(qū)熔化3D打印設備,設置加工工藝參數(shù)包括激光功率150-200W、掃描速度400-600mm/S、加工層厚20-50微米、激光光斑直徑50-70微米、掃描間距80微米,激光掃描策略為正交溝邊掃描;對鈦合金粉末進行激光選區(qū)熔化層層疊加成型,將加工得到的產品去除支撐,從而制得激光選區(qū)熔化成型的個性化手術導板13。
[0033]手術導板13在用于臨床應用之前,需要進行后續(xù)的一些處理,包括表面拋光以提高導板光潔度、導板高壓消毒滅菌等。
[0034]實施過程中增加臨時固定微型螺釘及螺釘孔,將手術導板13與施術骨面用微型螺釘臨時固定,進一步增加手術導板13與骨面的貼合精度與穩(wěn)定度,定位孔11直徑采用2?3mm,本實施例選用2.3_。
[0035]如上所述,便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。
[0036]本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制,其他任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應為等效的置換方式,都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種提高脊柱手術置釘精度的手術導板制造方法,其特征在于包括下述步驟: 51、基于病患脊椎的DICOM格式的CT/MRI掃描原始數(shù)據(jù),通過分割、編輯、三維計算處理,提取病患目標脊椎模型數(shù)據(jù),輸出三維CAD數(shù)據(jù); 52、將三維CAD數(shù)據(jù)導入Geomagic,進行骨頭內部噪點的去除指令獲得三維實體,保存為STEP AP203格式文件; 53、將三維CAD數(shù)據(jù)導入CAD中,根據(jù)提取出的脊椎模型,在其上模擬植釘路徑,并根據(jù)脊椎形狀位置提取與之接觸的曲面,用長方形進行裁剪,再向外加厚該曲面,得到與接觸的曲面形狀相應的手術導板(13);確定導向孔(10)和定位孔(11)在手術導板(13)上的位置;添加供醫(yī)生夾持的手柄(12);獲得脊椎植入假體三維CAD數(shù)據(jù)模型,并輸出三維CAD數(shù)據(jù); 54、對脊椎植入假體三維CAD數(shù)據(jù)模型導入Magicsl7.0中進行處理,包括擺放定位、添加支撐、切片分層,獲得脊椎植入假體的多層切片二維CAD數(shù)據(jù)模型文件; 55、將多層切片二維CAD數(shù)據(jù)模型文件導入激光選區(qū)熔化3D打印設備,設置加工工藝參數(shù)、打印,將得到的產品去除支撐,并獲得所需形狀的手術導板(13); 56、將手術導板(13)進行打磨、噴砂、拋光步驟,并進行高溫消毒,待應用。2.根據(jù)權利要求1所述提高脊柱手術置釘精度的手術導板制造方法,其特征在于:步驟S5所述設置加工工藝參數(shù),包括激光功率150-200W、掃描速度400-600mm/s、加工層厚20-50微米、激光光斑直徑50-70微米、掃描間距80微米,激光掃描策略為正交溝邊掃描;對鈦合金粉末進行激光選區(qū)熔化層層疊加成型,將加工得到的產品去除支撐,從而制得所需形狀的手術導板(13)。3.根據(jù)權利要求1所述提高脊柱手術置釘精度的手術導板制造方法,其特征在于:步驟SI所述提取病患目標脊椎模型數(shù)據(jù),具體為提取患者需替換脊椎的相鄰兩個脊椎的CAD數(shù)據(jù)模型,該模型為患者脊椎的原生形態(tài)。4.根據(jù)權利要求1所述提高脊柱手術置釘精度的手術導板制造方法,其特征在于:步驟S3所述導向孔(10)直徑為3.0mm,長度為10mm,壁厚0.2mm,用于在手術過中供術者置釘,確定進釘位置和方向。5.根據(jù)權利要求1所述提高脊柱手術置釘精度的手術導板制造方法,其特征在于:步驟S3所述根據(jù)脊椎形狀位置提取與之接觸的曲面,該曲面選擇在脊椎模型中的頸椎后弓處。6.—種提高脊柱手術置釘精度的手術導板,其特征在于由權利要求1至5中任一項所述提高脊柱手術置釘精度的手術導板制造方法中所制得,其結構包括: 與術者脊椎結合部位形狀相應的手術導板(13); 用于在置釘過程中對置釘進行導向的導向孔(1); 用于在置釘過程中對手術導板(13)進行位置固定的定位孔(11); 以及,用于在置釘過程中醫(yī)生為穩(wěn)固手術導板(13),而設置在手術導板(13)上的手柄(⑵。7.根據(jù)權利要求6所述提高脊柱手術置釘精度的手術導板(13),其特征在于: 所述導向孔(10)為兩個,分別設置在手術導板(13)的兩個端部。8.根據(jù)權利要求6所述提高脊柱手術置釘精度的手術導板(13),其特征在于: 所述定位孔(11)為兩個,分布在距離手術導板(13)中心位置8mm?1mm處。9.根據(jù)權利要求6所述提高脊柱手術置釘精度的手術導板(13),其特征在于:所述手柄(12)包括供醫(yī)生的食指與中指夾持的支撐桿(12-1),支撐桿(12-1)的一端設置在手術導板(13)的中心部位,另一端設置有供醫(yī)生拇指按壓的圓盤(12-2)。10.根據(jù)權利要求9所述提高脊柱手術置釘精度的手術導板(13),其特征在于:所述圓盤(12 - 2)的棱角處為倒圓角結構。
【文檔編號】A61B17/90GK105852957SQ201610253436
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】王迪, 王藝錳, 王建華, 楊永強, 張自勉
【申請人】華南理工大學
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