3D打印穿刺导板的设计

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3D打印穿刺导板的设计

3DSlicer社区学习完相关医学影像的重建后,就遇到一个问题,如何对重建后的模型设计一些导板,然后用3D打印的方式制作出来,用于手术中辅助操作呢?目前发现Slicer虽然有强大的重建功能,但是缺乏CAD设计功能(目前我还没发现)。为了扩展Slicer的应用,在此做一个教程来教会大家对从Slicer中重建的模型进行导板设计。

能做导板设计的软件较多,主要分工业设计软件:maya,mudbox,犀牛,z-brush,freeform,3Dmax等;工程设计类软件:CATIA、UG、ProE、Soildworks等。


概念讲解

工业设计软件:

数据主要格式为stl、obj的面网格和细分网格的形式。主要用于CG,即电脑三维渲染,动画效果,本身不是为了生产制造而使用的,只是近年来3D打印兴起,可以将这些软件设计的模型通过3D打印机打印出来,这种制造方式为增材制造,和传统的减材制造方式有很大区别。

工业设计软件主要的建模方式为基于草图,生成模型,然后再借助网格点的拖拽,挤压,以及对整体的雕刻来完成模型。基本没有数学规则需要遵循,故适合生物体等异形结构模型的设计。

工程设计软件:

数据主要格式为stp、iges的带参数的矢量数据体格式,能用于电脑中生成机加工G代码,输出到加工中心加工,采用传统的减材制造方式制造。

工程软件的主要建模方式是通过先生成草图再基于草图拉伸成体,以及点线面到体的方式,需要严格遵循数学及建模关系,故适合设计比较规则以及精度要求较高的模型。数据模型用于后期机加工。

另外还有一类操作方式介于两者之间的软件,比如美国3Dsystem公司的 Geomagic 系列软件,比利时materalize公司的3-matic设计软件,可以对stl的面模型按照工程设计软件的方式进行操作,然后输出用于3D打印。

故本例中采用3-matic来进行导板的设计。

注:如果要将工业软件设计的模型导入到工程软件中进行设计,需要一个中间的转换过程,即逆向工程,常用的软件是Geomagic。

基本流程如下:

3D打印穿刺导板的设计

虽然软件很多,但是“不管黑猫白猫,抓住耗子就是好猫”,本次为方便大家快速学习导板的设计理念和思路,本次导板的设计演示采用目前骨科手术导板设计常用的软件比利时materalize公司的mimics innovation套装。该套软件包含图像处理用的 mimics以及设计用的3-matic。

注:mimics innovation套装套装是比利时materalize公司的一款商业医学图像处理及设计软件。

工具:mimics15.0,3-matic(mimicsinnovation为商业软件,如大家对该教程提供的导板设计方法认可,还请购买正版软件使用)


案例讲解

软件作用:

软件 作用 优势
3D Slicer CT等数据的处理,病变部位重建,导出stl数据 软组织重建功能较强
Mimics 设置导向钉道方向,导入到3-matic中进行设计 可以对骨头的部位方便提取模型,能在软件中方便设置导向钉道方向
3-matic 提取模型定位表面,加厚,然后与钉道布尔相加,最后修饰模型得到导板 设计功能较强

注:slicer的坐标系和mimics的不一致,故不能两种数据在同一坐标系下操作。

1.在3D Slicer中建立模型;

做导板根据要贴合的面选取合适的阈值建立模型。本例中在头皮上做导板,就选取皮肤的阈值,建立头皮模型,同时建立肿瘤模型(按之前的教程建立,本例中不再赘述)。在3D Slicer中建立相关模型,然后导出stl数据(如图1.0所示);

3D打印穿刺导板的设计

 图1.0

2.将模型导入mimics中;

先打开mimics,随便导入一个CT影像数据(本例中导入一个肘关节的CT数据),目的是为了进入操作界面,操作步骤是New project wizard——选择影像数据文件夹-next-next,遇到需要设置数据方位的,就点击相应方位右击选择方位;

File中点击 Import stl,选择之前建立的模型,本例中选择head-skin和tumour(如图2.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图2.0

3.剖切皮肤模型,方便观察肿瘤与外皮肤的关系;

在倒数第二栏,导入数据操作栏的下拉箭头处点击,在弹出的菜单中点击Cut Orthogonal to Screen(如图3.0所示);

3D打印穿刺导板的设计

图3.0

  选中head-skin,点击indicate,然后再模型区域点选需要去掉的部分,形成一个闭环,然后点击确认(如图4.0、5.0所示)。

3D打印穿刺导板的设计

图4.0

3D打印穿刺导板的设计

图5.0

4.设置钉道;
在MedCAD模块下点击圆柱,然后在模型区域在肿瘤位置和皮肤位置之间选点选连个点形成直线在往外拖拽形成圆柱,两点决定钉道的方向,可以在不同视角选择确定,保证按照手术需求来定方向(如图6.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图6.0

调整圆柱的直径为5mm,用于做导向通道的外径(可以根据穿刺针的直径来调整,保证导向直径比穿刺针至少大2mm)(如图7.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图7.0

保存两圆柱为stl格式,5mm圆柱(如图8.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图8.0

在原来圆柱的基础上修改圆柱直径为2.2(假设穿刺针直径为2mm,留余量0.1 mm,保证打印出来的导板能与穿刺针配合使用)(如图9.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图9.0

同时保存两圆柱为stl格式,2.2mm圆柱(方法同上)

5.导入数据到3-matic中

打开3-matic,直接将数据拖拽到3-matic中(如图10.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图10.0

6.设计导板;

进入Finish模块,先对皮肤模型进行表面处理,局部光顺,点击需要光顺的位置,逐一光顺(如图11.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图11.0

进入Finish模块,对导板覆盖区域进行裁剪,点击Trim,在需要做导板的区域选点连线,形成一个闭合的曲线环,勾选Remove outer,使曲线框外的区域裁剪掉(如图12.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图12.0

分离提取曲面为获得需要加厚的目标曲面,点击surface中的split surface(如图13.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图13.0

加厚目标区域曲面,点击需要加厚的曲面右击选择Separate-copy同part-create new,点击Design中的Move surface,勾选solid,设置厚度为3mm(如图14.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图14.0

布尔减掉两根5mm导向柱,注意选择顺序(多复制几个之前生成的3mm片体,选择模型右击Duplicate)(如图15.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

15.0

删除颅内部分的导向柱,在Mark中点击选择壳体,选中壳体后delete删除即可(如图16.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图16.0

布尔加和5mm圆柱和3mm片体(如图17.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图17.0

用剪刀Cut掉导向圆柱的上端,方便下面用2.2mm的圆柱去布尔减掉导向柱,形成导向通道(如图18.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图18.0

用2.2mm圆柱减去之前的模型,生产导板(如图19.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图19.0

也可以在导板与圆柱间创建圆角(创建倒角容易造成模型错误,正常情况下可以不加倒角),保证导板强度(如图20.0所示)

3D打印穿刺导板的设计

图20.0

生成导板如图21.0所示

3D打印穿刺导板的设计

图21.0

导板设计的注意事项:

1. 确保原始影像数据质量较好(层厚1mm左右或更薄);

2. 需要做导板贴合的部位确保是患者的真实体表情况,以硬组织和能承受一定压力且无较大相对变形的组织为贴合位置;

3. 导向钉道的内直径根据穿刺针的直径选配,保留比穿刺针直径大0.2-0.4mm的导向孔。因为3D打印导板会有误差,且同一直径的导向孔不能让穿刺针方便插入;

4. 对导板的打印,尽量选用精度较高的树脂和尼龙材料,保证导板精度和强度。

本次导板的设计方法是作者在之前的工作中所总结出的,现在写一个教程与读者分享设计思路,有不当之处欢迎指导和交流。后期如果还有更好的方法和软件,也会陆续在社区中发布。

导板的设计总的来说比较简单,多练练就会了,核心其实是手术的规划!

免责声明:

本教程作为技术交流使用,不得作为商业用途,由此产生的纠纷,本教程相关人员一概不负责任。如果大家愿意使用该套软件,还请购买正版使用。

文章编辑束旭俊  解放军82医院 神经外科

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