用于股骨精准去旋转的导航装置及其制作方法和使用方法
【专利摘要】本发明公开了用于股骨精准去旋转的导航装置及其制作方法和使用方法。首先，术前将患者全股骨CT扫描数据进行三维重建，测量股骨颈前倾角；其次，根据患者股骨颈前倾角的大小来确定去旋转的度数，制定个体化手术方案；然后，根据术前规划应用逆向工程技术提取股骨外侧解剖形态特征，设计导航模板并用3D打印技术制作成实物；最后，术中将消毒后的导航模板直接与暴露后的股骨贴合，截断股骨后根据导航模板旋转股骨远端，完成股骨精准去旋转的手术。
【专利说明】
用于股骨精准去旋转的导航装置及其制作方法和使用方法
技术领域
[0001]本发明属于医疗技术领域，具体涉及一种用于股骨精准去旋转的导航装置及其制作方法和使用方法。
【背景技术】
[0002]发育性髋关节发育不良患者术后常常因股骨颈前倾角的异常而引起髋关节不稳与脱位，因此FNA的精确测量对髋关节的诊断及治疗至关重要，股骨颈前倾角(Femoralneck anteVers1n，FNA)指股骨颈轴线与股骨髁平面的夹角，FNA的准确测量对股骨精准去旋转起着非常至关重要的作用，决定了手术的成败。FNA的异常是导致髋关节不稳定因素之一，目前文献报道FNA测量方法较多，均存在一定的主观性。目前使用的方法有以下:
X线法:双平面X线法[4、5]是最早的测量股骨颈前倾角的影像学方法。若照射一物体，使其在两个垂直平面分别投影，根据其投影便可还原其在空间的真实位置。双平面X线法即应用这个原理，被检查者需要接受两次X线摄影，一张是髋关节前后位X线片，另一张是髋关节侧位X线片。拍摄时，髋关节处于自然放松状态，这样能使股骨髁与桌面平行，从而减少测量误差。在两张X线片上分别测量股骨颈轴线与股骨干轴线的夹角，然后用数学方法计算出真正的股骨颈前倾角。但这一方法相对复杂繁琐，取决于拍摄者及测量者的经验，准确性和可重复性均较差;另外可能因为需要患者多次调整拍摄位置，致使患者产生抵触心理。
[0003]断层CT法:该法是目前文献报道应用较多的一种方法。首先，确定过股骨颈轴线的切面和过两股骨髁最大面积的切面;再次，于股骨颈的切面层测量股骨颈轴线与水平线的夹角;然后，于两股骨髁最大面积切面的层面测量两髁连线与水平线的夹角，两夹角之和作为FNA。该方法测量受多因素的影响，第一，由于股骨颈干角的存在，股骨颈与股骨干成一钝角，除非专门做股骨颈轴线的扫描，否则断层CT无法获得完整股骨颈轴线的切面，只能获得股骨颈的斜切面，从而导致股骨颈轴线的误差;第二，股骨颈轴线和股骨髁最大面面积，两个层面的选取，人为主观性较大，存在人为误差，重复性低;第三，患者扫描时体位的旋转倾斜，使基准平面出现倾斜等，产生测量误差。
[0004]CT三维模型法:测量FNA首先要确定股骨颈的轴线，该轴线是股骨头中心和股骨颈最狭窄处中心的连线。由于DDH患者常伴有股骨解剖异常，其股骨颈区域选择困难，其最狭窄处的中心难以确定。日本的提出选取股骨颈部分，应用计算机计算其重心，来代表股骨颈最狭窄点，由于股骨颈与股骨头和股骨等解剖标志难以区分，导致测量误差较大。
[0005]
近年来随着数字技术的迅猛发展，其在医学领域的研究与应用日益广泛。临床应用CT三维重建技术来重建靶组织器官的三维模型，能够直观、精确地显示其立体结构，准确测量各解剖结构的空间关系，并且可以任意旋转、调整图像大小来显示关注区域，
虽然通过上述方法可以精确的测量FNA，但是由于该技术只能二维显示，手术医生在脑海里形成规划，仍然不能在实际操作中给手术提供精确定位。而且术者靠经验完成的股骨去旋转截骨术，难以达到术前规划的要求，故需要在术前规划与实际手术中寻找连接桥梁。
【发明内容】
[0006]本发明的第一目的在于提供一种用于股骨精准去旋转的导航装置。
[0007]本发明的第二目的在于提供一种用于股骨精准去旋转的导航装置的制造方法。
[0008]本发明的第三目的在于提供一种用于股骨精准去旋转的导航装置的使用方法。
[0009]本发明的第一目的是这样实现的:包括导航板、第一导航管和第二导航管，所述的第一导航管和第二导航管分别对应错位设置于所述导航板上。
[0010]本发明的第二目的是这样实现的:包括原始数据采集、建立三维模型、制作导航板、设计去旋转导航模板、制作导航板，具体为:
A、原始数据采集:对患者全股骨进行CT扫描，采集原始CT数据，并以.dicom格式存储；
B、建立三维模型:在重建软件Mimics中通过对股骨断层扫描数据进行读取分析，然后依次进行分割、编辑填充、去除冗余数据后，采用表面遮盖显示法，构建出全股骨的三维模型；
C、设计去旋转导航模板:
股骨三维数据以.stl格式导入Geomagicll.0软件中，选取股骨外侧部分建立与其表面解剖形态完全一致且厚2?4mm的三维反向模板，以.stl格式导入到Mimics软件中，在mimics软件中经小转子下0.8-1.2cm处截断股骨，以股骨中心线为轴心旋转股骨远端，直至旋转后测量的股骨颈前倾角20?25° ;此时在股骨断端近侧做一内径为1.8?2.2mm厚的第一导航管，该第一导航管与股骨垂直并过股骨中心；同样在股骨断端远侧做一内径为1.8?2.2mm厚的第二导航管，该第二导航管与第一导航管平行并与股骨垂直且过股骨中心;合并股骨远端和第二导航管；旋转合并后的股骨远端直至与截骨前的股骨远端完全重合;分离此时的股骨远端与第二导航管;将第一导航管和旋转后的第二导航管及股骨反向模板合并成一体；在合并后的模板中间部分开一窗口，生成股骨近端去旋转导航模板。
[0011]D、制作导航板:利用激光快速成型技术将股骨近端去旋转导航模板制作出实物。
[0012]本发明的第三目的是这样实现的:具体为:患者取侧卧位或仰卧位，游离患肢消毒、股外侧切口，暴露股骨干近端外侧，将已经熏蒸消毒后的导航装置贴敷已暴露的股骨，沿导航管钻入克氏针后，取出模板;在小转子位置以下截断股骨后，旋转股骨远端，直至股骨近远端克氏针平行;常规钢板螺钉固定截骨端后，关闭术口，完成整个去旋转手术。
[0013]有益效果:
3D打印导板辅助手术技术是医学影像学技术、计算机辅助设计技术、逆向工程技术及3D打印技术有机结合的产物。该技术在满足术前规划与实际手术精确链接要求的同时也避免了计算机辅助手术导航系统的各个弊端。我国陆声等学者已经将3D打印导板辅助脊柱椎弓根螺钉的置入技术应用于临床，取得了良好的效果。该技术在股骨近端截骨去旋转中的应用国内外尚未见报道。本发明对患者股骨CT扫描数据进行三维重建，通过选取股骨头头臼接触面计算机自动生成球心坐标，另外创造性引入圆柱体来确定股骨颈轴线的方法，通过这两项措施增加了测量股骨颈前倾角的精确性;其次，术前计算机虚拟手术的应用，制定个体化股骨近端去旋转截骨的手术规划;然后，根据术前规划的要求，应用逆向工程技术提取股骨外侧解剖形态特征，设计导航模板并用3D打印技术制作成实物;最后，术中将消毒后的导航模板直接与暴露后的股骨贴合，截断股骨后根据导航模板旋转股骨远端，为术前规划与实际手术搭建起了一座链接的桥梁，使精准股骨近端去旋转截骨术成为了可能。
【附图说明】
[0014]图1为本发明选取股骨头头白结合部分最佳拟合球体示意图；
图2为本发明股骨颈轴线的确定示意图；
图3为本发明股骨颈前倾角测量示意图；
图4为本发明导航装置结构示意图；
图5为本发明导航装置术中与股骨贴合状态示意图；
图中:1-导航板，2-第一导航管，3-第二导航管，4-观察窗。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不得以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
[0016]如图1?5所示:本发明所述的导航装置包括导航板1、第一导航管2和第二导航管3，所述的第一导航管2和第二导航管3分别对应错位设置于所述导航板I上。
[0017]所述的导航板I中间位置设置有观察窗4。
[0018]所述的第一导航管2和第二导航管3内直径均为1.8?2.2mm。
[0019]所述的导航板I厚度为2?4mm。
[0020]所述导航装置的制造方法，包括原始数据采集、建立三维模型、制作导航板、设计去旋转导航模板、制作导航板，具体为:
A、原始数据采集:对患者全股骨进行CT扫描，采集原始CT数据，并以.dicom格式存储；
B、建立三维模型:在重建软件Mimics中通过对股骨断层扫描数据进行读取分析，然后依次进行分割、编辑填充、去除冗余数据后，采用表面遮盖显示法，构建出全股骨的三维模型；
C、设计去旋转导航模板:
股骨三维数据以.stl格式导入Geomagicll.0软件中，选取股骨外侧部分建立与其表面解剖形态完全一致且厚2?4mm的三维反向模板，以.stl格式导入到Mimics软件中，在mimics软件中经小转子下0.8-1.2cm处截断股骨，以股骨中心线为轴心旋转股骨远端，直至旋转后测量的股骨颈前倾角20?25°;此时在股骨断端近侧做一内径为1.8?2.2mm厚的第一导航管2，该第一导航管2与股骨垂直并过股骨中心；同样在股骨断端远侧做一内径为1.8?2.2mm厚的第二导航管3，该第二导航管3与第一导航管2平行并与股骨垂直且过股骨中心;合并股骨远端和第二导航管3;旋转合并后的股骨远端直至与截骨前的股骨远端完全重合;分离此时的股骨远端与第二导航管3;将第一导航管2和旋转后的第二导航管3及股骨反向模板合并成一体;在合并后的模板中间部分开一窗口，生成股骨近端去旋转导航模板。
[0021]D、制作导航板:利用激光快速成型技术将股骨近端去旋转导航模板制作出实物。
[0022 ]所述股骨颈前倾角的测量方法，包括以下步骤:
A:股骨头中心的确定:将三维重建后的股骨数据以.stl格式导入Geomagicll.0软件中，按股骨头颈交界线为边界，选取股骨头头白接触面，去除股骨头凹部分(如图1);应用Geomagi c软件中的最佳拟合球命令，将股骨头拟合成球体，并记录该球心三维坐标值，该球体球心作为股骨头中心。
[0023]B、股骨颈轴线的确定:股骨头中心坐标输入Mimics软件中；以该股骨头中心点为点1，另做一点2，连接两点做一圆柱体，该圆柱体的直径约等于股骨颈的直径。以点I为旋转中心，旋转该圆柱体直至该圆柱体与股骨颈前后缘相切，与上下缘距离相等。此时该圆柱体的轴线近似为股骨颈的中轴线。输入点I和点2的三维坐标值，建立一直线，该线即为股骨颈轴线(如图2)。
[0024]C、三维模型测量股骨颈前倾角:在mimics软件中，旋转股骨直至大转子后缘位于股骨两髁后缘连线中点，相当于将股骨两髁后缘与大转子后缘置于同一平面。做一过两髁后缘的连线，该连线与股骨颈轴线的夹角即为股骨颈前倾角FNA(如图3)。
[0025]所述的导航装置的使用方法具体为:患者取侧卧位或仰卧位，游离患肢消毒、股外侧切口，暴露股骨干近端外侧，将已经熏蒸消毒后的导航装置贴敷已暴露的股骨，沿导航管钻入克氏针后，取出模板;在小转子位置以下截断股骨后，旋转股骨远端，直至股骨近远端克氏针平行;常规钢板螺钉固定截骨端后，关闭术口，完成整个去旋转手术(如图4)。
【主权项】
1.用于股骨精准去旋转的导航装置，包括导航板(1)、第一导航管(2)和第二导航管(3)，其特征在于所述的第一导航管(2)和第二导航管(3)分别对应错位设置于所述导航板⑴上。2.根据权利要求1所述的用于股骨精准去旋转的导航装置，其特征在于所述的导航板(I)中间位置设置有观察窗(4)。3.根据权利要求1所述的用于股骨精准去旋转的导航装置，其特征在于所述的第一导航管(2)和第二导航管(3)内直径均为1.8?2.2mm。4.根据权利要求1所述的用于股骨精准去旋转的导航装置，其特征在于所述的导航板(1)厚度为2~4mm。5.—种权利要求1~4任一一项所述导航装置的制造方法，其特征在于包括原始数据采集、建立三维模型、制作导航板、设计去旋转导航模板、制作导航板，具体为: A、原始数据采集:对患者全股骨进行CT扫描，采集原始CT数据，并以.dicom格式存储； B、建立三维模型:在重建软件Mimics中通过对股骨断层扫描数据进行读取分析，然后依次进行分割、编辑填充、去除冗余数据后，采用表面遮盖显示法，构建出全股骨的三维模型； C、设计去旋转导航模板: 股骨三维数据以.stl格式导入Geomagicll.0软件中，选取股骨外侧部分建立与其表面解剖形态完全一致且厚2?4mm的三维反向模板，以.stl格式导入到Mimics软件中，在mimics软件中经小转子下0.8-1.2cm处截断股骨，以股骨中心线为轴心旋转股骨远端，直至旋转后测量的股骨颈前倾角20?25°;此时在股骨断端近侧做一内径为1.8?2.2mm厚的第一导航管(2)，该第一导航管(2)与股骨垂直并过股骨中心；同样在股骨断端远侧做一内径为1.8?2.2mm厚的第二导航管(3)，该第二导航管(3)与第一导航管(2)平行并与股骨垂直且过股骨中心;合并股骨远端和第二导航管(3);旋转合并后的股骨远端直至与截骨前的股骨远端完全重合;分离此时的股骨远端与第二导航管(3);将第一导航管(2)和旋转后的第二导航管(3)及股骨反向模板合并成一体;在合并后的模板中间部分开一窗口，生成股骨近端去旋转导航模板； D、制作导航板(I):利用激光快速成型技术将股骨近端去旋转导航模板制作出实物。6.根据权利要求5所述导航装置的制造方法，其特征在于所述的股骨颈前倾角的测量方法包括以下步骤: A:股骨头中心的确定:将三维重建后的股骨数据以.stl格式导入Geomagicll.0软件中，按股骨头颈交界线为边界，选取股骨头头臼接触面，去除股骨头凹部分;应用Geomagic软件中的最佳拟合球命令，将股骨头拟合成球体，并记录该球心三维坐标值，该球体球心作为股骨头中;L.、; B、股骨颈轴线的确定:股骨头中心坐标输入Mimics软件中；以该股骨头中心点为点I，另做一点2，连接两点做一圆柱体，该圆柱体的直径约等于股骨颈的直径；以点I为旋转中心，旋转该圆柱体直至该圆柱体与股骨颈前后缘相切，与上下缘距离相等;此时该圆柱体的轴线近似为股骨颈的中轴线;输入点I和点2的三维坐标值，建立一直线，该线即为股骨颈轴线； C、三维模型测量股骨颈前倾角:在mimics软件中，旋转股骨直至大转子后缘位于股骨两髁后缘连线中点，相当于将股骨两髁后缘与大转子后缘置于同一平面;做一过两髁后缘的连线，该连线与股骨颈轴线的夹角即为股骨颈前倾角FNA。7.—种权利要求1所述的导航装置的使用方法，其特征在于具体为:患者取侧卧位或仰卧位，游离患肢消毒、股外侧切口，暴露股骨干近端外侧，将已经熏蒸消毒后的导航装置贴敷已暴露的股骨，沿导航管钻入克氏针后，取出模板;在小转子位置以下截断股骨后，旋转股骨远端，直至股骨近远端克氏针平行;常规钢板螺钉固定截骨端后，关闭术口，完成整个去旋转手术。
【文档编号】A61B34/10GK105832415SQ201610291545
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】周游, 康晓鹏, 陈昊
【申请人】周游, 康晓鹏