一种基于3D打印技术的韧带重建骨道精确定位方法与流程

本发明涉及一种骨道的定位方法，具体是涉及一种基于3d打印技术的韧带重建骨道精确定位方法。

背景技术：

前交叉韧带(anteriorcruciateligament，acl)损伤是一种常见的膝关节运动损伤，可导致膝关节功能障碍，其患病率约为1/3000。关节镜下的acl重建术作为标准的治疗方式已被应用多年，而解剖重建已成为主流理念，然而，尽管采用了先进的理念，并使用专为解剖重建设计的新型手术器械，临床疗效并未得到相应的提升，在高达10-15％的重建失败病例及10-20％的翻修病例中，骨道内侧入口尤其是股骨骨道的定位错误仍占了绝大多数。

前交叉韧带的解剖重建的核心思想是重建后的韧带移植物应该尽可能精确地恢复到原来交叉韧带的止点位置、韧带直径和走行方向上，以便能最大程度地维持膝关节前后向及旋转时的稳定性，恢复关节的正常功能。其中最关键的是重建韧带的位点是否准确，即骨道内口的位置。虽然已经对acl骨道定位技术进行深入研究，但受关节镜成像系统视觉偏差和术者操作熟练程度的影响，关节镜监视下制备的骨道位置有时并不理想。据统计，有10％～40％的acl重建术骨道位置不佳，即使经验丰富的术者也难以保证所有手术的骨隧道位置均满意。

如何能客观精确的确定acl骨道位置，是每一个关节镜医生所希望达到的目标。目前已有研究应用术中x线透视及计算机导航技术来改进骨道定位，但由于x线定位的误差较大，计算机导航设备昂贵、操作复杂等缺点，临床应用受到限制，尚未能完全解决上述问题，而3d打印技术的出现给这一问题的解决带来了曙光，本发明将3d打印技术初步应用于前交叉韧带解剖单束重建，探讨3d打印手术导板的精确性及可行性，为进一步应用于临床提供依据。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于3d打印技术的韧带重建骨道精确定位方法。该方法大大简化了手术流程，避免了因人为因素而导致的术中骨道的定位错误，大大提高手术的精确度，缩短手术时间，减少创伤，能更快的让患者康复。

本发明的技术方案是：一种基于3d打印技术的前交叉韧带重建骨道精确定位方法，其特征是：该方法的具体步骤如下：

步骤1)在需要建立骨道的附近植入定位锚钉，进行ct及mri扫描，获取骨骼的断面图像数据；

步骤2)采用mimics软件处理步骤1)获取的数据，建立带锚钉的骨骼或关节的几何模型，然后将几何模型转入到simpleware三维建模软件，根据预先确定骨道位点和方向，模拟建立虚拟骨道及与定位锚钉连接的导板；

步骤3)将步骤2)中的导板通过3d打印技术制造成实物的导板，将导板与定位锚钉连接，根据导板上预设的骨道方向，使用电钻钻取骨道；

步骤4)钻取后取下导板及定位锚钉，并按照原有韧带重建方法将韧带安装于骨道并固定，完成手术。

所述步骤1)中植入定位锚钉：将定位锚钉植入膝关节，植入方向与前交叉韧带重建手术时骨道的方向一致，植入点为前交叉韧带重建时骨道出口距离为5cm处。

所述步骤2)的根据预先确定骨道位点和方向，模拟建立虚拟骨道及与定位锚钉连接的导板的具体步骤是：

1)选取固定对照点，将该数据导入simpleware三维建模软件中，运用threshold、floodfill功能，分别重建出膝关节骨性标志点和交叉韧带的三维解剖模型；分别应用图像融合技术中的界标配对、表面相合、空间力矩配对和交叉相关法进行融合，将ct重建骨组织与mri重建的韧带组织模型在simpleware软件cad模块进行装配，得出能同时显示韧带止点及相邻骨性标志的融合图像；并通过图像分析，标记足印中心点，并确定骨道方向，生成膝关节复合三维模型；

2)在生成膝关节复合三维模型中建立虚拟导针，导针粗细为4.5mm，根据导针和定位锚钉的相对位置关系，建立虚拟骨道及与定位锚钉连接的导板。

所述的定位锚钉是由锚钉柄和锚钉杆组成，所述的锚钉柄是由锚钉柄芯体、锚钉连接套和圆形膨大体组成；所述的圆形膨大体为的圆柱体，其一端设置有轴向连接孔，锚钉杆通过轴向连接孔套接在圆形膨大体内；圆形膨大体另一端与锚钉连接套连接，且为一体结构；锚钉柄芯体为圆柱体，其一端套接锚钉连接套内，在锚钉连接套上横向平行设置两个侧孔。

所述的锚钉杆是由锚钉杆连接体、锚钉光杆和钻尾螺钉组成，锚钉杆连接体一端套接在圆形膨大体的轴向连接孔内，另一端与锚钉光杆为一体结构，锚钉光杆的端部固定连接有钻尾螺钉。

所述导板为树脂导板。

本发明的优点：本发明与现有技术的最大不同之处，就是在手术前可以在电脑软件上事先确定好骨道位置和方向，并建立导板，术中直接根据导板建立骨道，而不是以往按术者的经验来确定。该方法大大简化了手术流程，避免了因人为因素而导致的术中骨道的定位错误，大大提高手术的精确度，缩短手术时间，减少创伤，能更快的让患者康复。同时，该方法能做到精准和个体化，提高手术成功率，以及后期可将其作为一种手术模式，便于培养医生的手术技术。

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是本发明的定位锚钉结构示意图；

图2是本发明锚钉柄芯体的端面图；

图3是本发明锚钉连接套的横截面图；

图4是导板的结构示意图；

图5是导板的锚钉连接孔的结构示意图；

图中：1、锚钉柄芯体；2、侧孔；3、锚钉连接套；4、圆形膨大体；5、锚钉杆连接体；7、锚钉光杆；8、钻尾螺钉；9、导板；10、锚钉连接孔；11、导向针孔；12、固定孔。

具体实施方式

实施例1

一种基于3d打印技术的前交叉韧带重建骨道精确定位方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1)在需要建立骨道的附近植入定位锚钉，进行ct及mri扫描，获取骨骼的断面图像数据；

步骤2)采用mimics软件处理步骤1)获取的数据，建立带锚钉的骨骼或关节的几何模型，然后将几何模型转入到simpleware三维建模软件，根据预先确定骨道位点和方向，模拟建立虚拟骨道及与定位锚钉连接的导板；

步骤3)将步骤2)中的导板通过3d打印技术制造成实物的导板，将导板与定位锚钉连接，根据导板上预设的骨道方向，使用电钻钻取骨道；

步骤4)钻取后取下导板及定位锚钉，并按照原有韧带重建方法将韧带安装于骨道并固定，完成手术。

实施例2

一种基于3d打印技术的前交叉韧带重建骨道精确定位方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1)在需要建立骨道的附近植入定位锚钉，进行ct及mri扫描，获取骨骼的断面图像数据；将定位锚钉植入膝关节，植入方向与前交叉韧带重建手术时骨道的方向一致，植入点为前交叉韧带重建时骨道出口距离为5cm处。

步骤2)采用mimics软件处理步骤1)获取的数据，建立带锚钉的骨骼或关节的几何模型，然后将几何模型转入到simpleware三维建模软件，根据预先确定骨道位点和方向，模拟建立虚拟骨道及与定位锚钉连接的导板；

其中，根据预先确定骨道位点和方向，模拟建立虚拟骨道及与定位锚钉连接的导板的具体步骤是：

1)选取固定对照点，将该数据导入simpleware三维建模软件中，运用threshold、floodfill功能，分别重建出膝关节骨性标志点和交叉韧带的三维解剖模型；分别应用图像融合技术中的界标配对、表面相合、空间力矩配对和交叉相关法进行融合，将ct重建骨组织与mri重建的韧带组织模型在simpleware软件cad模块进行装配，得出能同时显示韧带止点及相邻骨性标志的融合图像；并通过图像分析，标记足印中心点，并确定骨道方向，生成膝关节复合三维模型；该步骤没有详细说明的部分均为现有技术，这里就不做详细说明。

2)在生成膝关节复合三维模型中建立虚拟导针，导针粗细为4.5mm，根据导针和定位锚钉的相对位置关系，建立虚拟骨道及与定位锚钉连接的导板。

步骤3)将步骤2)中的导板通过3d打印技术制造成实物的导板，将导板与定位锚钉连接，根据导板上预设的骨道方向，使用电钻钻取骨道；

步骤4)钻取后取下导板及定位锚钉，并按照原有韧带重建方法将韧带安装于骨道并固定，完成手术。

实施例3

在实施例1或2的基础上，如图1所示，所述的定位锚钉是由锚钉柄和锚钉杆组成，并可以拆卸，方便收捡；所述的锚钉柄是由锚钉柄芯体1、锚钉连接套3和圆形膨大体4组成；所述的圆形膨大体4为的圆柱体，其一端设置有轴向连接孔，锚钉杆通过轴向连接孔套接在圆形膨大体4内；圆形膨大体4另一端与锚钉连接套3连接，且为一体结构；如图2所示，锚钉柄芯体1为圆柱体，其一端套接锚钉连接套3内；在锚钉连接套3上横向平行设置两个侧孔2，如图3所示，所述的锚钉连接套3的截面为大半圆形，能够方便与导板的连接，并保证连接的牢固性，防止导板移位，这样可以精准的通过导板来钻取所需的骨道；所述的通用型定位锚钉总长为20mm，锚钉杆的直径5mm，具有小型化且易微创化植入骨内的特点；锚钉柄芯体1的设置可以用于安装电钻，增强了通用性。

所述的锚钉杆是由锚钉杆连接体5、锚钉光杆7和钻尾螺钉8组成，锚钉杆连接体5一端套接在圆形膨大体4的轴向连接孔内，另一端与锚钉光杆7为一体结构，锚钉光杆7的端部固定连接有钻尾螺钉8。钻尾螺钉8便于钻入相应部位，且钻入后易于固定，不易松动；圆形膨大体用于阻挡分隔导板及皮肤软组织。

所述锚钉柄和锚钉杆均为钛合金顺磁性材质。方便进行ct扫描，不至因伪影造成图像失真。所述导板为树脂导板。

所述的定位锚钉的使用方法：将锚钉的锚钉柄与锚钉杆两部分连接为一整体，电钻安装在锚钉柄芯体1上，开动电钻将锚钉钻入预定的部位，钻入后去掉锚钉柄芯体1和电钻，如图4和图5所示，通过导板9的锚钉连接孔10将导板9套在锚钉连接套3上，并用两个螺栓穿过锚钉连接孔10内的两个固定孔12和锚钉连接套3上的两个侧孔2将导板9固定在锚钉上，将导针装入导板9上的导向针孔11内，根据锚钉预设骨道方向，使用电钻将导针缓慢钻入膝关节，穿透对侧骨皮质进入关节腔后停止电钻，并将导针取出，并从锚钉上取下导板9；将电钻通过锚钉柄芯体1安装在锚钉连接套3上，开动电钻取出整个锚钉。

临床试验

西安交通大学医学院解剖教研室提供的尸体膝关节20例，采用本发明的方法对尸体膝关节韧带重建骨道精确定位后，再将尸体膝关节进行ct及mri扫描并采集数据，将导针位置与预设参考点进行比较将制备好预设骨道的尸体膝关节再次进行ct及mri扫描并采集数据，采用mimics软件处理获取的数据，建立带锚钉的骨骼或关节的几何模型，然后将几何模型转入到simpleware三维建模软件再次重建膝关节模型，根据编号与各自之前的膝关节模型进行比对，测量实际钻取骨道内口位置与预设参考之间是否一致及测量两者中心点间的误差距离。

结果：所有20例尸体膝关节均顺利完成导板的设计，并3d打印成树脂导板，导针置入顺利完成，通过二次ct及mri扫描评估，结果导针位置与预设参考点基本一致。

上述的ct扫描及mri扫描可以采用双源64排ct扫描及3.0tmri扫描。本实施例没有详细叙述的部件和结构及工艺均属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。