一种解剖重建颅骨补片及其快速制作方法与流程

本发明涉及一种医疗器材，尤其涉及一种解剖重建骨骼补片及其快速制作方法。

背景技术：

颅内肿瘤，又称脑肿瘤，是指发生于颅腔内的神经系统肿瘤，包括起源于神经上皮、外周神经、脑膜和生殖细胞的肿瘤，淋巴和造血组织肿瘤，蝶鞍区的颅咽管瘤与颗粒细胞瘤，以及转移性肿瘤。颅内肿瘤给患者和家庭带来巨大的健康危害、精神压力、经济负担，严重影响患者的生存质量。现在临床主要采取手术手段治疗颅内肿瘤，但无论是常规手术，还是内镜显微镜等微创手术，在打开颅骨的过程中，会造成手术入路部位骨缺损破坏。

现有的手术修补方法通常存在制造修补方法粗糙，修补后颅外一侧较平整，但颅内一侧与原本结构相差较大，这可能导致手术之外的脑损伤。现有的一些修补方法很难在术中一次修补成功，需要额外的尝试才能够修补成功，这无疑延长了手术时间，增加了手术风险。此外，材料的物理学属性，包括导热性，导电性，磁性，延展性等，都可能给疾病的后续治疗带来麻烦。目前所使用的材料，都存在价格昂贵，成形困难，更不用说恢复手术部位的解剖结构，达到快速解剖重建的目的。如果使用自体组织进行修补，需要增加额外的创伤，术后并发症的风险也进一步增加。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可快速精确恢复缺损部位的解剖学特征，补片结构性和生物兼容性能优良，还可降低手术费用，缩短手术时间，减少术后并发症的颅骨补片；

进一步地，本发明提供一种修补严密性好的颅骨补片；

更进一步地，本发明提供一种牢固性和安全性均可靠的颅骨补片；

更进一步地，本发明提供一种解剖重建颅骨补片的快速制作方法，该法可在术中快速制作补片，制作的补片精确度高，匹配性好，修补严密性好，牢固性和安全性均可靠。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种解剖重建颅骨补片，填补在颅骨缺损开口处，所述补片的边缘形状与所述颅骨缺损开口的边缘形状吻合；所述补片立体结构与所述颅骨缺损立体结构吻合；所述补片由可降解生物硬性材料制成。

可降解生物硬性材料包括pla等。

所述补片为双面结构，分别为颅内面、颅外面以及连接所述颅内面、颅外面边缘的颅侧面，所述补片的片体厚度为0.5~15mm；所述补片的颅外面周边设有向外均匀延伸的定位片；所述补片通过3d打印成形。

所述补片的颅外面设有夹持环；所述夹持环的根部为缩细结构。

所述补片的颅侧面与颅骨缺损截面相交部分设有1~3条水密环，位置为颅骨缺损截面2~4等分线，水密环与补片的颅侧面边缘距离不小于0.2mm。

所述补片的颅内面周边设有4~8处均匀分布且水平向外延伸的隆起。

所述双面结构的中间层内设有点阵状排列的细柱状小梁，所述补片结构最薄处的厚度不小于0.2mm。

一种解剖重建颅骨补片的快速制作方法，包括以下步骤：

s01，获取数据库中正常颅骨的ct图；

s02，获取术前颅骨的ct图，若术前颅骨遭到破坏，则采用s01中的ct图进行下一步操作；

s03，依据s01或s02的ct图，重建出包含目标颅骨缺损开口部位及其周围解剖标志的数字立体图片模型，即ct重建模型；并将所获取的ct数据导入术中导航设备中；

s04，拍照获取目标颅骨缺损开口部位的边缘轮廓信息：充分暴露目标颅骨缺损开口部位及周边解剖结构，在目标颅骨缺损开口的边缘选取不少于3个配对点，放置导航棒，使导航棒尖端指向配对点，通过手术内镜或显微镜设备获取目标颅骨缺损开口处多角度影像，影像中需包含导航棒所指的配对点，并记录术中导航设备配对点坐标信息；在目标颅骨缺损开口的不同位置获得其在不同视角下的图像并构成一个序列，记为目标序列图像；

s05，修正目标序列图像，还原并获得目标颅骨缺损开口部位的真实边缘轮廓信息图；

s06，对s05的真实边缘轮廓信息图进行处理，利用s04选取的配对点计算获得目标颅骨缺损开口部位的尺寸及相对位置，获得图像重建模型；

s07，识别s06图像重建模型中配对点在术中导航设备中坐标数据；根据具有对应关系的配对点将s06的图像重建模型和s03的ct重建模型精确融合；保留目标颅骨缺损开口的边缘轮廓信息和截面结构特征，其余目标颅骨缺损开口特征即中间填充信息采用ct重建模型的ct数据，建立解剖重建3d图像模型；

s08，对解剖重建3d图像模型进行物理学改进，平滑处理模型表面，钝化所有棱角，设计出3d图片模型；根据3d图片模型数据，利用多层快速叠加3d打印技术，使用可降解生物硬性材料打印所述补片。

所述中间填充信息包括目标颅骨缺损开口的形状、大小、厚度。

修正目标序列图像的方法为：根据目标序列图像重建真实的目标颅骨缺损开口部位的三维结构，用相机拍摄含标定板的二维图像序列，从标定板的二维图像序列中获取相机参数信息，然后用相机参数信息修正s04中的目标序列图像，所述相机包括鱼眼相机。

标定板是在机器视觉、图像测量、摄影测量、三维重建等应用中，为校正镜头畸变；确定物理尺寸和像素间的换算关系；以及确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，需要建立相机成像的几何模型的一个标准块。通过相机拍摄带有固定间距图案阵列平板、经过标定算法的计算，可以得出相机的几何模型，从而得到高精度的测量和重建结果。而带有固定间距图案阵列的平板就是标定板。

s06处理方法为：对目标序列图像进行颜色的预处理，然后利用sift算法完成特征匹配，并进行稀疏重建，再通过pmvs算法完成稠密重建。

本发明的有益效果在于：本发明采用可降解生物硬性材料制造3d复合骨性结构；这些材料的化学特性使它们可以进行水解降解，并通过自然途径被去除；夹持环的设置，便于手术操作；夹持环的根部为缩细结构的设置，便于术后将夹持环破坏取出，施加旋转力矩可使其断裂；水密环的设置，实现了良好的补片与目标颅骨缺损开口截面之间的边缘水密效果；隆起的设置，实现了补片与目标颅骨缺损开口间的空间相对位置的稳定性，使补片牢固性好；定位片的设置，便于补片定位至目标颅骨缺损开口处；细柱状小梁的设置，用于支撑颅内面和颅外面，使补片承力性好。

本发明的补片制作方法可制得精确度高，匹配性好的补片，s01用于获取数据库中普遍适用的正常的颅骨ct图；s02用于获取个体差异的术前的颅骨ct图，若术前的颅骨ct图为病态，则选用s01的颅骨ct图；s03用于将各颅骨ct图导入术中导航设备，并在术中导航设备中形成立体的ct重建模型；s04用于获取目标颅骨缺损开口部位的边缘轮廓信息，s05用于还原并获得目标颅骨缺损开口部位的真实边缘轮廓信息图，当相机为鱼眼相机时，s04拍摄的图像为曲面图，s05用于将曲面图还原；s06用于根据配对点坐标，获得目标颅骨缺损开口部位的尺寸及相对位置；s07用于精确融合，获得具有目标颅骨缺损开口部位的边缘轮廓信息和中间填充信息的3d图像模型；s08用于物理学改进3d图像模型并打印得高精度匹配的补片。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1填补在颅骨缺损开口处时的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1~图2所示，一种解剖重建颅骨补片，填补在颅骨9缺损开口处，所述补片的边缘形状与所述颅骨9缺损开口的边缘形状吻合；所述补片立体结构与所述颅骨缺损立体结构吻合；所述补片由可降解生物硬性材料制成。

所述补片为双面结构，分别为颅内面1、颅外面2以及连接所述颅内面1、颅外面2边缘的颅侧面3，所述补片的片体厚度为0.5~15mm；所述补片的颅外面2周边设有向外均匀延伸的定位片4；所述补片通过3d打印成形。

所述补片的颅外面2设有夹持环5；所述夹持环5的根部为缩细结构。

所述补片的颅侧面3与颅骨缺损截面相交部分设有1~3条水密环6，位置为颅骨缺损截面2~4等分线，水密环6与补片的颅侧面3边缘距离不小于0.2mm。

所述补片的颅内面1周边设有4~8处均匀分布且水平向外延伸的隆起7。

所述双面结构的中间层内设有点阵状排列的细柱状小梁8，所述补片结构最薄处的厚度不小于0.2mm。

一种解剖重建颅骨补片的快速制作方法，包括以下步骤：

s01，获取数据库中正常颅骨的ct图；

s02，获取术前颅骨的ct图，若术前颅骨遭到破坏，则采用s01中的ct图进行下一步操作；

s03，依据s01或s02的ct图，重建出包含目标颅骨缺损开口部位及其周围解剖标志的数字立体图片模型，即ct重建模型；并将所获取的ct数据导入术中导航设备中；

s04，在手术过程中利用图像采集设备对手术部位进行多个角度的图像采集工作，拍照获取目标颅骨缺损开口部位的边缘轮廓信息：充分暴露目标颅骨缺损开口部位及周边解剖结构，在目标颅骨缺损开口的边缘选取不少于3个配对点，放置导航棒，使导航棒尖端指向配对点，通过手术内镜或显微镜设备获取目标颅骨缺损开口处多角度影像，影像中需包含导航棒所指的配对点，并记录术中导航设备配对点坐标信息；在目标颅骨缺损开口的不同位置获得其在不同视角下的图像并构成一个序列，记为目标序列图像；

s05，对采集到的包含目标颅骨缺损开口边缘信息的目标序列图像利用手动或自动方式进行图像的裁剪，裁剪后的图像序列只包含目标颅骨缺损开口边缘以内的图像，修正目标序列图像，还原并获得目标颅骨缺损开口部位的真实边缘轮廓信息图；

修正目标序列图像的方法为：根据目标序列图像重建真实的目标颅骨缺损开口部位的三维结构，用相机拍摄含标定板的二维图像序列，从标定板的二维图像序列中获取相机参数信息，然后用相机参数信息修正s04中的目标序列图像，所述相机包括鱼眼相机。

标定板是在机器视觉、图像测量、摄影测量、三维重建等应用中，为校正镜头畸变；确定物理尺寸和像素间的换算关系；以及确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，需要建立相机成像的几何模型的一个标准块。通过相机拍摄带有固定间距图案阵列平板、经过标定算法的计算，可以得出相机的几何模型，从而得到高精度的测量和重建结果。而带有固定间距图案阵列的平板就是标定板。

s06，对s05的真实边缘轮廓信息图进行处理，首先利用图像匹配算法得到各个修正后的目标序列图像之间的图像匹配点，然后利用计算机视觉中的多视图几何知识对得到的图像匹配点进行三维重建，得到颅骨缺损开口的三维边缘轮廓信息，然后利用s04选取的配对点计算获得目标颅骨缺损开口部位的尺寸及相对于ct三维模型的位置，获得图像重建模型；s06处理方法为：对目标序列图像进行颜色的预处理，然后利用sift算法完成特征匹配，并进行稀疏重建，再通过pmvs算法完成稠密重建。

s07，识别s06图像重建模型中配对点在术中导航设备中坐标数据；根据具有对应关系的配对点将s06的图像重建模型和s03的ct重建模型精确融合；保留目标颅骨缺损开口的边缘轮廓信息和截面结构特征，其余目标颅骨缺损开口特征即中间填充信息采用ct重建模型的ct数据，建立解剖重建3d图像模型；所述中间填充信息包括目标颅骨缺损开口的形状、大小、厚度。

s08，对解剖重建3d图像模型进行物理学改进，平滑处理模型表面，钝化所有棱角，设计出3d图片模型；根据3d图片模型数据，利用多层快速叠加3d打印技术，使用可降解生物硬性材料打印所述补片。

本实施例充分利用计算机即时处理图像技术，术中导航辅助数据精确融合，3d打印快速成形技术等制作颅骨缺损补片，达到个性化修补颅骨缺损目的。与现有技术相比，本实施例的补片可在术中快速制作，并精确恢复缺损部位的解剖学特征。补片结构性和生物兼容性能优良，修补严密性好，牢固性和安全性均可靠，还可降低手术费用，缩短手术时间，减少术后并发症。

本实施例制作的补片，既可用于颅底（包括内镜从下方，显微镜从上方开颅），还可以用于常规手术的颅骨修补。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。