专利名称：一种可用于椎弓根定位的导航模板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种手术用定位导航模板的制作方法，特别涉及一种可用于椎弓根定位的导 航模板的制作方法。
背景技术：
在脊柱创伤复位、畸形矫正等骨科手术中，普遍认为利用椎弓根螺钉内固定是一种最为 稳定的脊柱固定方式。但是由于从腰椎向上，胸椎、颈椎的椎弓根的直径逐渐减小，进行椎 弓根螺钉固定的难度和危险性也逐渐增加，失误后可能造成极大损害，胸椎和颈椎的椎弓根 技术很难在临床普及。
因此，人们开始寻找能够准确定位的脊柱导航系统，以进行椎弓根的精确定位，保证手 术的顺利进行。应用计算机导航系统进行脊柱手术始于20世纪90年代，1994年首先报道了 计算机导航系统辅助下的椎弓根内固定手术，以后发达国家逐渐应用于临床。其中，临床应 用最广泛的是安装有红外线发射二极管的光电计算机导航系统。我国于2002年开始将计算机 导航系统应用于椎管手术，应用的范围包括上颈椎、颈椎椎弓根、胸椎及腰椎等，报告的结 果认为计算机导航技术提供了以往临床经验无法比拟的准确性和多角度实时的信息。但目前临床中应用的计算机导航技术同样具有一些缺点，如精确度仍不够高，操作复杂，设备的价 格昂贵，手术时间长等。另外，利用现有的计算机导航系统进行椎弓根定位，患者必须在具 有导航设备的医院方可开展手术，目前尚难以广泛推广。
自从20世纪80年代美国3D System Inc的Charle发明了快速成形工艺后，在很短的 时间内，按照成形材料和零件制造技术的不同，各种快速成形工艺相继出现，如光固化成型 法(SLA)、叠层实体制造法(LOM)、选择性激光烧结法(SLS)、熔融沉积制造法(FDM)和三 维打印法等，其应用也从工业界的原型制造、模具制造、零件制造，向艺术、教育和医学领域 拓展。反求工程，是指根据实物模型测得的数据，构造CAD (计算机辅助设计)模型，继而进 行分析制造。随着工业自动化和计算机技术的发展，反求技术和快速成形技术的兴起为医学 领域精确手术提供了技术支持。反求工程与快速成形的结合，带來了一种全新的产品设计、 制造及三维尺寸测量模式。
在医学领域，人们尝试将反求工程与快速成形制造相结合，利用CT及核磁共振(MRI) 等设备采集人体器官、骨骼、关节等部位的外形数据，重建三维数字化模型，然后用快速成 形技术制造教学和手术参考用的模型，常用于帮助制造假肢或进行外科修复。但是，目甜尚 未有将这一技术应用于椎弓根固定的报道，另外在椎弓根固定术中，即使术前利用上述技术 制造出了患者的椎弓根模型，并且进行了螺钉进钉方向与深度的模拟试验，手术中山于患者 体位的变化，要想准确找到原來模拟的进钉方向打入椎弓根螺钉，困难巨大， -旦出现误差， 后果不堪设想。
发明内容
本发明的目的是，提供一种可广泛使用的，用于椎弓根定位的导航模板的制作方法，以 达到快速、廉价、高效地对椎弓根进行精确定位。
本发明的技术方案术前对患者进行CT或者MRI薄层扫描，采集患者手术区域的数字图 象。利用三维重建软件对所采集的数据进行分析，导出待手术椎骨的三维重建模型。应用逆 向工程软件，根据椎骨的三维重建模型设计椎弓根的最佳进钉钉道。然后，提取椎板后部的 表面信息，在系统中建立与椎板后部解剖形状一致的反向模板模型，将反向模板，椎体与椎 弓根钉道的数字模型进行拟和，观察钉道过椎弓根的准确性。利用激光快速成形技术制作带 有椎弓根钉道的反向导航模板。或者，可以先采集原始数据并在计算机上建立椎骨三维模型, 利用快速成形技术做出椎骨实物模型，然后在实物模型上建立椎弓根的钉道，根据椎弓根钉 道的方向设计带有椎弓根钉道的反向导航模板。术中，将这一导航模板与待手术的椎骨后部 相嵌合，可用于椎弓根钉的精确定位。
本发明中，CT或者MRI扫描速度和精度的增加为获得反求工程中的三维模型提供了精确 的断层图片，利用三维重建的软件可将需要的组织器官快速重建并在虚拟模型上进行随意的 变形和钻孔，以设计最佳的椎弓根钉进钉路线。在虚拟模型的基础上，利用快速成型技术生 产出可在术中应用的反向导航模板。术中将模板与人体的椎体后部嵌合，可精确导引椎弓根 钉的进钉方向和深度，顺利完成手术。同时，由于本发明是在手术前就已经将导航模板制作 完成，不需要在术中应用其它设备进行椎弓根的定位，大大减少了手术的时间，减少了患者 痛苦。另外，现在各个中小型医院均己经普及CT检査，在这些医院进行椎骨CT扫描后，将 CT数据利用网络传输到可以进行导航模板设计及具有快速成型技术的单位，在这些单位制成 用于术中定位的反向导航模板后，快递到需要进行椎管手术的医院。这样，就克服了现在利 用计算机导航系统进行定位时，必须每个进行定位手术的医院均需购买一台设备的不足，大 大减少了资源浪费。当然，考虑到实现本发明设备的简单性，其实现费用已经相当低廉。
本发明将数字技术，反求工程和快速成形技术有机结合，搭起了虚拟和现实之间的一座 桥梁，可望为医学发展开辟新的领域。
附图1为利用三维重建软件建立的椎骨虚拟三维模型。 附图2为设计的带进钉孔道的反向导航模板虚拟模型
附图3为利用快速成形技术生产出的椎体和反向导航模板实物，术前可模拟椎体和模板 对合的精确性
具体实施例方式
下面结合附图给出本发明的两个实施例，当然，本发明的实施方式并不仅限于下属实施
方式。例如，利用MRI等数字技术采集的椎骨数据也可以用于椎骨三维模型的重建；利用其
它三维重建软件、三维分析软件、逆向工程软件也同样可以进行反向导航模板数字模型的制
作；同时，也可以利用其它成型技术，制作术中实际应用的椎弓根定位反向导航模板。 实施例一
1. 原始数据的采集术前，对患者手术区域的椎骨进行薄层CT扫描，采集CT原始数据。
2. 椎骨三维模型的建立将CT连续断层图像数据导入三维重建软件，首先灰度分割提取 椎骨边界轮廓信息区，然后应用区域分割再次提取椎骨信息区，采用系统默认的最佳重建模
式，建立的三维重建椎体模型，以STL格式导出模型。在需要定位的椎体采用单椎体重建，
如附图l，其中椎弓根l为需重点关注的部位。
3. 对椎弓根进钉通道进行三维分析在UG Iraagewarel2.0平台(美国EDS公司)打开 三维重建模型，定位三维参考平面，提取椎弓根表面轮廓。旋转模型，确定与方向垂直的平 面，将椎弓根沿平面法向确定其正投影区，拟合正投影区内边界线，拟合其内切圆、椭圆， 再获取椭圆一定垂距的内偏置曲线。沿方向分别将内边界线、内切圆、椭圆投影到椎体和椎 板表面。内边界投影曲线之间的放样曲面为该方向椎弓根进钉通道，内切圆投影曲线之间的 放样曲面为该方向最大螺钉通道，拟合椭圆投影曲线之间的放样曲面为该方向近似进钉通道， 内偏置曲线的投影曲线之间的放样曲面为该方向近似轴线通道，平移内切圆心之间的直线为 该方向最佳轴线，平移椭圆圆心之间的直线为该方向近似轴线。内偏置曲线在椎板的投影曲 线为该方向进钉安全进钉区。内切圆圆心在椎板的对应点为该方向在椎板的最佳进钉点，拟 合椭圆圆心在椎板的对应点为该方向在椎板的近似进钉点。找到准确的椎弓根通道后，将通 道延伸到椎板的后部，并在椎板上确定椎弓根通道的方向。
4. 虚拟的进钉导航模板的建立在逆向工程软件UG imageware (美国EDS公司)中 提取椎板后部轮廓，在系统中建立与椎板后部轮廓相吻合的虚拟反向模板，将模板与先前建 立的椎弓根通道拟和，这样就建立了如附图2所示的的虚拟的导航模板3。
5. 如附图3所示，利用激光快速成形技术将椎体和导航模板3同时制作出来，体外将模 板3和椎体贴合，从进钉孔道向颈椎椎弓根l方向进行进钉模拟，以进一步观察该模板在术 中进行导航的准确性。在手术时只需要将模板与椎板的后部相贴合，即可定位椎弓根的方向。
为了保证进钉方向的准确性，可以利用geomagic软件(美国Raindrop公司)将虚拟模 板中的进钉孔道部位局部适当增厚，如附图2或附图3中所示的进钉孔道2，其厚度最好在 0. 5cm左右。
另外，为了减少操作步骤，可以不制作椎骨模型，仅制作用于定位的反向导航模板，在 术中进行应用即可。
实施例二
1. 原始数据的采集术前，对患者手术区域的椎骨进行薄层CT扫描，采集CT原始数据。
2. 椎骨三维模型的建立将CT连续断层图像数据导入三维重建软件，首先灰度分割提取 椎骨边界轮廓信息区，然后应用区域分割再次提取椎骨信息区，采用系统默认的最佳重建模
式，建立的三维重建椎体模型，以STL格式导出模型。在需要定位的椎体采用单椎体重建。
3. 椎骨实物模型的建立利用激光快速成形技术，根据己经在计算机上三维重建的椎体
模型，将椎体实物模型建立出来。
4. 在椎体的实物模型上建立椎弓根的钉道，根据椎弓根钉道的方向设计带有椎弓根钉道
的反向导航模板。
权利要求
1. 一种可用于椎弓根定位的导航模板的制作方法，先采集原始数据并在计算机上建立椎骨三维模型，然后对椎弓根进钉通道进行三维分析，建立虚拟的进钉模板，然后利用快速成型技术将进钉模板制作出来，其特征为进钉模板为与椎板后部轮廓相吻合的反向导航模板。
2. —种如权利要求l所述的可用于椎弓根定位的导航模板的制作方法，其特征为采集的原 始数据可以是CT信号或者核磁共振信号。
3. —种如权利要求l所述的可用于椎弓根定位的导航模板的制作方法，其特征为，所用的快 速成型技术可以是光固化成型法、叠层实体制造法、选择性激光烧结法、熔融沉积制造法 或者三维打印法。
4. 一种如权利要求l所述的可用于椎弓根定位的导航模板的制作方法，其特征为导航模板的进钉孔道部位局部加厚，厚度为3mm左右。
5. —种如权利要求1至4所述的任何一种可用于椎弓根定位的导航模板的制作方法，其特征为制作反向导航模板的同时，可以将与之相匹配的椎骨模型同时制作出来，体外将模板和椎体贴合，进行椎体椎弓根进钉模拟，以进一步观察该模板在术中进行导航的准确性。
6. —种可用于椎弓根定位的导航模板的制作方法，先采集原始数据并在计算机上建立椎骨三 维模型，利用快速成形技术做出椎骨实物模型，然后在实物模型上建立椎弓根的钉道，根 据椎弓根钉道的方向设计进钉模板，其特征为，进钉模板为与椎板后部轮廓相吻合的反向 导航模板。
全文摘要
本发明涉及一种可用于椎弓根定位的导航模板的制作方法，步骤为先采集原始数据并建立椎骨三维模型，其中重点关注椎弓根(1)的位置；然后对椎弓根进钉通道进行三维分析，在计算机上建立虚拟的包括进钉孔道(2)的进钉模板(3)，进钉模板为与椎板后部轮廓相吻合的反向导航模板；然后，利用快速成型技术将反向导航模板制作出来。本发明中，CT或者MRI扫描速度和精度的增加为获得反求工程中的三维模型提供了精确的断层图片，利用三维重建的软件可将需要的组织器官快速重建并在虚拟模型上进行随意的变形和钻孔，以设计最佳的椎弓根钉进钉路线。在虚拟模型的基础上，利用快速成型技术生产的反向导航模板，可在术中导引椎弓根钉的进钉方向和深度，迅速、精确地完成手术。
文档编号A61B17/90GK101390773SQ200710151298
公开日2009年3月25日 申请日期2007年9月19日 优先权日2007年9月19日
发明者声 陆 申请人:声 陆