基于3d打印技術(shù)的個性化仿生脊椎系統(tǒng)的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及了一種全脊椎體切除術(shù)后，脊柱穩(wěn)定性的重建的技術(shù)方法，本發(fā)明對個性化脊椎進(jìn)行CT機掃描、數(shù)據(jù)采集，將CT掃描斷層數(shù)據(jù)以Dicom格式輸出，經(jīng)3D計算建立脊椎柱三維模型,以STL格式輸出到3D打印機，用熔點1668±4℃的鈦金屬打印材料，塑形成蜂窩狀多孔的仿生脊椎，所述仿生脊椎蜂窩狀的空隙大小為100um。本發(fā)明與現(xiàn)技術(shù)相比，在術(shù)中直接利用術(shù)前已制備好的個性化椎體替代病椎，從而大大的縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血、降低術(shù)中各種并發(fā)癥的發(fā)生率。
【專利說明】基于3D打印技術(shù)的個性化仿生脊椎系統(tǒng)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種全脊椎體切除術(shù)后，脊柱穩(wěn)定性的重建的技術(shù)方法，特別適用于應(yīng)用CT三維重建、計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)(CAD/CAM)和3D打印等數(shù)字技術(shù)的脊椎柱3D仿生打印方法。
【背景技術(shù)】
[0002]脊柱結(jié)核、腫瘤、囊腫、創(chuàng)傷常引起脊柱椎體的嚴(yán)重破壞，臨床上患者常表現(xiàn)為病變部位難治性的疼痛，嚴(yán)重者甚至出現(xiàn)骨折、截癱的可能。通過全椎體切除術(shù)是去除病椎、緩解疼痛、進(jìn)行脊髓減壓，是目前治療脊柱椎體嚴(yán)重破壞的主要方式。全椎體切除后椎體穩(wěn)定性的重建也是一個非常關(guān)鍵的問題。長期以來人工椎體、鈦網(wǎng)、自體骨、異體骨、骨水泥聯(lián)合前路鋼板和(或)后路椎弓根系統(tǒng)是重建脊柱穩(wěn)定性的主要方式。無論采取何種方式替代病變的椎體，傳統(tǒng)的術(shù)式都需對病灶進(jìn)行徹底的清創(chuàng)并選擇適合患者個體的替代物，這一過程延長了手術(shù)時間，增加了術(shù)中的出血量，加大了術(shù)中感染的可能，對年老患者尚有引發(fā)心肺肝腎的基礎(chǔ)疾病威脅生命的可能。同時全椎體切除術(shù)及椎體重建需要8-15萬不等高昂的醫(yī)療費用。大量的統(tǒng)計資料顯示，脊柱腫瘤占全身骨腫瘤發(fā)病率的8%，脊柱結(jié)核占骨結(jié)核發(fā)病率的50%，創(chuàng)傷所致的脊柱骨折占骨折的5%-6%，在我國每年都有大量的病人因椎體的破壞需要進(jìn)行全椎體的置換，對患者及整個社會都是沉重的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。長期以來，椎體間替代物概括起來主要有三種:填充型(骨水泥)、支撐型(鈦網(wǎng))及支撐固定性(人工椎體)，大量的臨床資料顯示采取以上 替代物重建脊柱的穩(wěn)定性都是行之有效的辦法然而無論采取何種替代物，由于缺乏符合患者個性化的替代椎，都需要外科醫(yī)生在術(shù)中對病變節(jié)段進(jìn)行測量從而設(shè)計出符合患者個體化的替代椎，這大大的增加了手術(shù)的難度，增加了手術(shù)的時間、術(shù)中出血量甚至各種并發(fā)癥的發(fā)生率。同時，鈦網(wǎng)和人工椎體還必須依賴于工廠的批量生產(chǎn)，具有時間性和空間性的限制。臨床上迫切需求一種符合患者個性化的椎體能協(xié)助外科醫(yī)師快速、安全、準(zhǔn)確而又行之有效解決問題。
[0003]本發(fā)明的目的就是利用CT三維重建、計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)(CAD/CAM)和3D打印等數(shù)字技術(shù)，術(shù)前通過對脊柱的三維重建，全面的了解疾病情況，運用計算機輔助技術(shù)輸出信息，選擇適合患者疾病的材料利用3D打印技術(shù)快速的打印出符合患者的個性化椎體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:本發(fā)明的基于3D打印技術(shù)的個性化仿生脊椎系統(tǒng)的制備方法，其特征在于對個性化脊椎進(jìn)行CT機掃描、數(shù)據(jù)采集，將CT掃描斷層數(shù)據(jù)以Dicom格式輸出，經(jīng)3D計算建立脊椎柱三維模型，以STL格式輸出到3D打印機，用熔點1668±4°C的鈦金屬打印材料，塑形成蜂窩狀多孔的仿生脊椎，所述仿生脊椎蜂窩狀的空隙大小為lOOum。
[0005]本發(fā)明所述CT機對患者病變脊椎及鄰近節(jié)段解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)斷層掃描獲得其Dicom醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。所述CT機掃描參數(shù):掃描層厚為1_，電壓120kV。所述CT掃描機的斷層數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)出，輸入Mimicsl0.01軟件，經(jīng)圖像定位，閾值分割，動態(tài)分割，每層圖像經(jīng)選擇性編輯和漏洞處理，去除冗余數(shù)據(jù)，平滑處理，最后經(jīng)3D計算建立包含病脊椎鄰近解剖結(jié)構(gòu)的三維模型輸出。
[0006]本發(fā)明所述3D計算采用計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM)對病變及鄰近節(jié)段脊椎進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與三位重建。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)技術(shù)相比，不僅術(shù)前可以幫助醫(yī)生更好的觀察病變部位，制定更為合理的手術(shù)方案，幫助缺乏相關(guān)醫(yī)療知識的患者及家屬了解病情獲得知情同意，也可以在術(shù)中直接利用術(shù)前已制備好的個性化椎體替代病椎，從而大大的縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血、降低術(shù)中各種并發(fā)癥的發(fā)生率。與傳統(tǒng)替代椎體依賴工廠批量生產(chǎn)相比，3D打印可以在醫(yī)院自己的設(shè)備中心快速打印，耗時短，打破了時間與空間的限制。同時，醫(yī)生可根據(jù)患者的病情、經(jīng)濟狀況選擇適合患者個體的材料進(jìn)行3D打印?？傮w來說:在現(xiàn)代影像學(xué)技術(shù)與計算機輔助技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用3D打印制備個性化椎體具有顯著的社會和臨床效益。
【具體實施方式】
[0008]本發(fā)明主要應(yīng)用應(yīng)用CT三維重建、計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)(CAD/CAM)和3D打印等數(shù)字技術(shù)。其中，3D打印是20世紀(jì)80年代后期國際上出現(xiàn)的新技術(shù)，是快速成形術(shù)的一種，集成計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造(CAD/CAM)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、高分子材料、三維CT技術(shù)等領(lǐng)域為一體的現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)，主要根據(jù)離散/堆積成形原理，在計算機控制下利用零件的CAD模型所確定的幾何信息，對層片材料或粉層進(jìn)行二維掃描和處理，由點到線，由線到面，由面到體，層層堆積可得到一個三維實體(原型)。3D打印這種具有革命性意義的技術(shù)，自 誕生之日起，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是硬組織外科領(lǐng)域，受到了高度重視并已應(yīng)用于臨床。
[0009]本發(fā)明的脊椎柱3D仿生打印方法應(yīng)用現(xiàn)代影像技術(shù)、計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM)對病變及鄰近節(jié)段椎體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與三位重建，利用當(dāng)前各種椎間替代物材料、3D打印技術(shù)直接快速的制作患者個性化的椎體，為術(shù)前進(jìn)行病例討論、設(shè)計合理的手術(shù)方案、醫(yī)患溝通提供便利，同時提高手術(shù)的精確操作。具體的步驟:
1、個性化椎體的CT掃描、數(shù)據(jù)采集
采用CT機對患者病變椎體及鄰近節(jié)段解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)斷層掃描獲得其Dicom醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)；
掃描參數(shù):掃描層厚為1mm，電壓120kV
2、個性化椎體三維重建
將CT掃描斷層數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)出，輸入Mimicsl0.01軟件，經(jīng)圖像定位，閾值分害I]，動態(tài)分割，每層圖像經(jīng)選擇性編輯和漏洞處理，去除冗余數(shù)據(jù)，平滑處理，最后經(jīng)3D計算建立包含病椎鄰近解剖結(jié)構(gòu)的三維模型，結(jié)果以.STL格式輸出；
3、個性化椎體解剖學(xué)參數(shù)的計算
計算病變椎體的高度、周徑、前后緣骨皮質(zhì)厚度、內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)、上下相鄰椎體的椎弓根寬度、高度、椎弓根軸線與椎體矢狀面、橫截面的夾角(椎弓根參數(shù)的計算可協(xié)助椎體植入后的置釘內(nèi)固定提供解剖學(xué)的幫助)；4、打印材料的選擇
本發(fā)明利用鈦合金制備脊椎椎體結(jié)構(gòu)。鈦合金彈性模量低、強度高、生物相容性好、無毒性。選擇性激光熔融技術(shù)(3D打印技術(shù)的一種)可以對熔點高達(dá)1668±4°C的鈦金屬塑形成多孔“蜂窩狀”的人工椎體。鈦合金椎體的彈性模量為(3.25±1.08)GPa (人體骨的彈性模量為1-30 GPa)，低彈性模量保證了鈦合金椎體不會在人體內(nèi)的變形，同時具有足夠的強度承受身體的重量.鈦合金材料生物相容性高，大量的臨床試驗及動物實驗證明它的無毒性。本發(fā)明的鈦合金椎體結(jié)構(gòu)采用“蜂窩狀”個性化椎體。本發(fā)明可以制備成具有多孔“蜂窩狀”人工椎體。空隙大小控制在lOOum，可以保證細(xì)胞在椎體內(nèi)自由生長，促進(jìn)植骨融合。同時“蜂窩狀”人工椎體可以作為一個載體，內(nèi)部可以放置BMP (骨形態(tài)發(fā)生蛋白，一種可以誘導(dǎo)骨細(xì)胞增殖分化的生物因子)甚至骨粉，不僅起到了承重、連接的作用，同時多孔的結(jié)構(gòu)有利于骨細(xì)胞的黏附生長和體內(nèi)營養(yǎng)物的傳輸；
5、3D打印個性化椎體
根據(jù)CT掃描計算機輔助技術(shù)建立的三維模型，利用適合臨床的打印材料，3D打印個性化椎體；
6、臨床效果分析
利用現(xiàn)代信息技術(shù)建立的三維模型和3D打印技術(shù)制備的個性化椎體運用于術(shù)前的溝通、病例討論、設(shè)計手術(shù)方案，術(shù)中記錄手術(shù)時間與出血量、并發(fā)癥的發(fā)生率，術(shù)后隨訪癥狀改善率與影像學(xué)指標(biāo)，與傳統(tǒng)手術(shù)組進(jìn)行比較，相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。
[0010]本發(fā)明打破了傳統(tǒng)的椎體修復(fù)手術(shù)方式，將3D打印直接制備個性化椎體替代病椎，3D打印個性化椎體的應(yīng)用 將會成為脊柱外科乃至硬組織外科的新革命。與采取傳統(tǒng)椎間替代物進(jìn)行手術(shù)相比，選用3D打印技術(shù)制備個性椎體具有以下優(yōu)勢:1)生產(chǎn)周期短，從數(shù)據(jù)采集到產(chǎn)品的產(chǎn)出僅需1-2天時間，能夠在最短的時間幫助患者解決病患；2)個性化椎體與被替代椎形狀完全一致，有利于保持全身骨骼系統(tǒng)尤其是脊柱的穩(wěn)定性；3)制造強度完全能夠達(dá)到應(yīng)用要求，臨床應(yīng)用前景廣泛；4 )個性化椎體具有生物相容性，能夠誘導(dǎo)周圍血管神經(jīng)等組織生長；5) 3D制備過程無需制造磨具，降低了制造成本。
【權(quán)利要求】
1.一種基于3D打印技術(shù)的個性化仿生脊椎系統(tǒng)的制備方法，其特征在于對個性化脊椎進(jìn)行CT機掃描、數(shù)據(jù)采集，將CT掃描斷層數(shù)據(jù)以Dicom格式輸出，經(jīng)3D計算建立脊椎三維模型，以STL格式輸出到3D打印機，用熔點1668±4°C的鈦金屬打印材料，塑形成蜂窩狀多孔的仿生脊椎，所述仿生脊椎蜂窩狀的空隙大小為lOOum。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)的個性化仿生脊椎系統(tǒng)的制備方法，其特征在所述CT機對患者病變脊椎及鄰近節(jié)段解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)斷層掃描獲得其Dicom醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于3D打印技術(shù)的個性化仿生脊椎系統(tǒng)的制備方法，其特征在所述CT機掃描參數(shù):掃描層厚為1mm，電壓120kV。
4.根據(jù)權(quán)利要I或2或3所述的基于3D打印技術(shù)的個性化仿生脊椎系統(tǒng)的制備方法，其特征在所述CT掃描機的斷層數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)出，輸入Mimicsl0.01軟件，經(jīng)圖像定位，閾值分割，動態(tài)分割，每層圖像經(jīng)選擇性編輯和漏洞處理，去除冗余數(shù)據(jù)，平滑處理，最后經(jīng)3D計算建立包含病脊椎鄰近解剖結(jié)構(gòu)的三維模型輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)的個性化仿生脊椎系統(tǒng)的制備方法，其特征在所述3D計算采用計算機 輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM)對病變及鄰近節(jié)段脊椎進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與三位重建。
【文檔編號】A61F2/44GK103690278SQ201310680145
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】陳揚 申請人:深圳市第二人民醫(yī)院