膝關(guān)節(jié)置換三維空間下肢生物力線的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利將三維可視化技術(shù)與逆向工程技術(shù)(Reverse Engnieering)同數(shù)字醫(yī)學(xué)相結(jié)合，將計算機技術(shù)與機械工程學(xué)科的專業(yè)知識綜合應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，解決醫(yī)學(xué)面臨的問題。
[0002]本發(fā)明專利利用現(xiàn)代先進的醫(yī)療影像技術(shù)，采用3.0T核磁機掃描獲取到髖-膝-踝影像數(shù)據(jù)，利用醫(yī)學(xué)三維可視化軟件Simpleware完成下肢三段式數(shù)據(jù)的重建，在此基礎(chǔ)上結(jié)合逆向工程軟件Imageware、Geomagic等三維空間完成全下肢生物力線的建立。
[0003]本發(fā)明專利精確的解決了傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換在二維平面定位下肢生物力線的弊端，利用三維醫(yī)療影像可視化技術(shù)和逆向工程技術(shù)解決生物醫(yī)療領(lǐng)域面臨的難題。通過實驗驗證了三維力線下行膝關(guān)節(jié)置換的準(zhǔn)確性，大大提高了手術(shù)精度。
【背景技術(shù)】
[0004]1860 年由 Vernei 1 提出膝關(guān)節(jié)成形術(shù)(total knee arthroplasty, TKA),由于早期受材料等方面因素的影響手術(shù)失敗率比較高。在經(jīng)過了一個世紀(jì)的探索之后，20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了人工膝關(guān)節(jié)最早的假體。膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，在美國由1975年的1萬例增至1990年的15萬例，在瑞典近20年置換術(shù)增加了 5倍。有人估計在德國每年約人工置換5.5萬個膝關(guān)節(jié)。我國已進入老齡化社會，據(jù)國內(nèi)報刊記載，65歲以上的老年人口中骨關(guān)節(jié)病發(fā)病率占80%以上并有人工膝關(guān)節(jié)置換指征，而尚未手術(shù)者估計有200萬。2002年全世界范圍內(nèi)人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，全年超過60萬例，這個數(shù)目現(xiàn)在還在增加中。
[0005]人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的成功與否及對臨床療效的影響因素研究，一直是人們關(guān)注的問題，要取得好的臨床遠期療效，對于適應(yīng)癥的選擇、假體的選定、手術(shù)技巧的準(zhǔn)確掌握及手術(shù)前的管理都很重要，尤其在很大程度上對手術(shù)技巧的要求，既要在三維空間上準(zhǔn)確截骨、假體立體安置，實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后生物力學(xué)的再復(fù)制。文獻報道除了感染、脂肪栓塞等一般并發(fā)癥之外，高達50%的早期翻修術(shù)與力線不當(dāng)、假體擺位不當(dāng)及關(guān)節(jié)失穩(wěn)有關(guān)。因此，為了獲得更好的遠期隨訪效果，解剖重建下肢生物力線和假體旋轉(zhuǎn)軸線是人們不斷探索和追求的最終目標(biāo)。
[0006]傳統(tǒng)全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)通過術(shù)前X線片檢查和術(shù)中機械導(dǎo)向裝置進行髓內(nèi)、髓外定位截骨術(shù)者憑借肉眼、手感和經(jīng)驗來定位解剖標(biāo)志、下肢力線和假體旋轉(zhuǎn)軸線，然后手工劃線截骨、假體放置和軟組織平衡。這種基于肉眼對肢體和假體的觀察完成的對位、對線有很大的主觀性，直接影響了該定位方式的可靠性和手術(shù)的精確性，甚至導(dǎo)致手術(shù)的失敗。盡管人們不斷完善機械定位系統(tǒng)，提高假體植入的準(zhǔn)確性，但系統(tǒng)本身固有的局限性決定了其可能達到的精度，文獻報道即使是最精細的機械定位系統(tǒng)，由經(jīng)驗豐富的醫(yī)生運用，股骨與腔骨對線誤差超過3°的發(fā)生率也至少為10%。而且機械定位測量系統(tǒng)是以假想的標(biāo)準(zhǔn)化骨骼的解剖及幾何形態(tài)為基礎(chǔ)的，可能并不適用于某些特定病例。因此，傳統(tǒng)手術(shù)方法的精確度問題是困擾手術(shù)醫(yī)生的主要問題，如何提高膝關(guān)節(jié)置換的精確度，準(zhǔn)確的建立下肢生物力線是關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明專利是為了解決傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換過程在二維平面定位下肢生物力線的弊端，擺脫二維平面定位的主觀隨意性，提高膝關(guān)節(jié)置換的截骨定位精度，改善患者的關(guān)節(jié)生理功能。將醫(yī)學(xué)三維可視化、逆向工程技術(shù)與數(shù)字醫(yī)學(xué)相結(jié)合完成三維空間全下肢生物力線的建立。
[0008]為了解決三維空間確定下肢力線的上述問題，克服二維平面定位下肢生物力線的隨意性，提高截骨定位精度；本發(fā)明通過醫(yī)學(xué)三維可視化技術(shù)，利用3.0T核磁機獲取到下肢三段式髖-膝-踝影像數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上結(jié)合醫(yī)學(xué)三維可視化軟化Simplware完成下肢股骨頭-股骨遠端-脛骨近端-踝關(guān)節(jié)的三維重建。
[0009]然后結(jié)合逆向工程軟件Geomagic、Imageware等完成股骨頭中心的三維空間擬合，再根據(jù)患者的關(guān)節(jié)形態(tài)，實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)空間中心的擬合。同理，完成脛骨近端及踝關(guān)節(jié)中心的擬合。
[0010]本發(fā)明專利根據(jù)擬合確定的股骨頭中心、膝關(guān)節(jié)中心、脛骨平臺中心及踝關(guān)節(jié)中心建立四點的連線，得到三維空間人體全下肢生物力線。
[0011]本發(fā)明專利在建立了下肢三維空間力線之后，為了完成整個膝關(guān)節(jié)置換還需三維確定股骨遠端旋轉(zhuǎn)軸線，通過MRI斷層影像數(shù)據(jù)在三維空間根據(jù)人體股骨遠端的解剖形態(tài)結(jié)構(gòu)建立起股骨遠端假體的虛擬旋轉(zhuǎn)軸線。在此基礎(chǔ)上根據(jù)實際手術(shù)過程中的需求，結(jié)合Mimics醫(yī)學(xué)影像控制軟件，完成術(shù)前模擬截骨，驗證三維力線下行膝關(guān)節(jié)置換的準(zhǔn)確性。
[0012]本發(fā)明專利在完成三維力線模擬膝關(guān)節(jié)置換截骨的過程中與骨科醫(yī)生進行交互，通過不同骨科醫(yī)生對整個模擬截骨過程的評價之后，完成整個力線的空間建立。
[0013]【附圖說明】:
附圖1、圖2、圖3是三段式股骨頭、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)；
附圖4、圖5、圖6是股骨軟骨、膝關(guān)節(jié)軟骨、脛骨平臺軟骨；
附圖7、圖8、圖9、圖10是股骨頭中心、膝關(guān)節(jié)中心、脛骨平臺中心、踝關(guān)節(jié)中心；
附圖11、圖12是全下肢生物力學(xué)軸線正位和側(cè)位圖。
[0014]【具體實施方式】:
要完成下肢三維力線的重建，需獲取患者下肢的醫(yī)療影像數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換中都是醫(yī)生根據(jù)術(shù)前掃描患者的下肢二維X平片劃線確定下肢力線，這種方法不僅帶有很大的主觀隨意性，而且很難完成力線的準(zhǔn)確定位。后來出現(xiàn)了利用CT完成下肢力線的定位，但利用CT掃描患者全下肢對病人的輻射量太大，重建過程也比較復(fù)雜，且不能顯示患者的關(guān)節(jié)軟骨，而關(guān)節(jié)軟骨對患者的膝關(guān)節(jié)置換效果至關(guān)重要。所以本發(fā)明專利中采用3.0T核磁機獲取患者下肢三段式髖-膝-踝MRI核磁影像數(shù)據(jù)，節(jié)約三維重建時間，去除對患者的輻射，考慮關(guān)節(jié)軟骨對整個膝關(guān)節(jié)置換的影響。
[0015]完成了髖-膝-踝三段式MRI數(shù)據(jù)掃描之后需要進行三維可視化，在Simplware軟件中完成股骨頭、股骨遠端、脛骨近端、踝關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)軟骨的三維重建以STL格式保存。骨性結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)軟骨的三維模型導(dǎo)入到Geomgaic中將股骨頭近似視為一標(biāo)準(zhǔn)球體，選取股骨頭部分點云擬合為一球體取其球心作為股骨頭中心；擬合確定股骨遠端內(nèi)外側(cè)后髁最佳包容的兩個球體，取球心中心連線的中點為膝關(guān)節(jié)中心；擬合確定脛骨內(nèi)外側(cè)嵴最高點連線的中點，最佳擬合確定踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)髁凸點連線的中點為踝關(guān)節(jié)中心。
[0016]三維空間擬合確定了股骨頭中心、膝關(guān)節(jié)中心、脛骨平臺中心和踝關(guān)節(jié)中心之后，在三維空間建立四點的連線得到了全下肢生物力線。
[0017]要準(zhǔn)確的完成膝關(guān)節(jié)置換還需要三維建立股骨遠端假體虛擬的空間旋轉(zhuǎn)軸線，根據(jù)股骨遠端的解剖形態(tài)結(jié)構(gòu)，將MRI掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Simplware中，確定股骨遠端內(nèi)髁最凹點和外髁最凸點三維空間坐標(biāo)，在Geomagic中建立股骨遠端旋轉(zhuǎn)軸線。
[0018]實現(xiàn)了下肢生物力線和股骨遠端旋轉(zhuǎn)軸線的三維建立之后，還需要驗證其準(zhǔn)確性。本發(fā)明專利通過與醫(yī)生之間進行交互，根據(jù)實際膝關(guān)節(jié)置換過程，根據(jù)膝關(guān)節(jié)置換需要達到的截骨要求，利用Mimics在三維空間完成模擬膝關(guān)節(jié)截骨過程。
[0019]完成模擬截骨之后，通過在Imageware中三維觀察截骨效果，測量截骨厚度，觀察截骨面的狀態(tài)；在此基礎(chǔ)上向二維平面投影，讓不同的骨科醫(yī)生來查閱截骨效果，實現(xiàn)醫(yī)生與工程師之間的交互，確保整個膝關(guān)節(jié)三維空間力線的準(zhǔn)確性。
【主權(quán)項】
1.膝關(guān)節(jié)置換三維空間下肢生物力線的確定方法是為了解決傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換在二維平片上定位下肢生物力線的主觀隨意性所帶來的誤差，利用3.0TMRI核磁機獲取下肢髖-膝-踝斷層影像數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的三維可視化，然后結(jié)合逆向工程技術(shù)實現(xiàn)股骨頭中心、膝關(guān)節(jié)中心、脛骨平臺中心、踝關(guān)節(jié)中心的擬合，三維建立全下肢生物力學(xué)軸線。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換三維空間下肢生物力線的確定方法，其特征在于利用三段式MRI影像數(shù)據(jù)在Simpleware三維可視化軟件中實現(xiàn)斷層影像數(shù)據(jù)的可視化重建，完成股骨頭、股骨遠端、脛骨近端、踝關(guān)節(jié)的三維重建。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膝關(guān)節(jié)置換三維空間下肢生物力線的確定方法，其特征在于所述的三維可視化過程需要綜合運用數(shù)字骨科和逆向工程技術(shù)，綜合運用逆向工程軟件Imageware、Geomagic、CAT IA等,通過數(shù)據(jù)的三維空間擬合，確定相關(guān)的關(guān)節(jié)中心。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換三維空間下肢生物力線的確定方法，其特征在于所述的下肢生物力學(xué)軸線是股骨頭中心、膝關(guān)節(jié)中心、脛骨平臺中心、踝關(guān)節(jié)中心四點在三維空間的連線。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換三維空間下肢生物力線的確定方法，其特征在于所述的下肢生物力線在作為膝關(guān)節(jié)置換的參考基準(zhǔn)過程中，還建立了膝關(guān)節(jié)假體的三維空間旋轉(zhuǎn)軸線，確保膝關(guān)節(jié)置換的截骨的準(zhǔn)確性。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換三維空間下肢生物力線的確定方法，其特征在于三維建立了下肢生物力學(xué)軸線的基礎(chǔ)上，利用MRI數(shù)據(jù)完成了股骨軟骨及脛骨平臺軟骨的三維重構(gòu)，然后利用逆向工程軟件Imageware及Mimics軟件等實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)置換的模擬截骨過程，測量截骨厚度，實現(xiàn)整個截骨過程。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述膝關(guān)節(jié)置換三維空間下肢生物力線的確定方法，其特征在于實現(xiàn)了空間模擬截骨之后跟不同的骨科醫(yī)生進行交互，驗證整個三維空間力線的可行性和有效性。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種膝關(guān)節(jié)置換三維空間下肢生物力線的確定方法<b>。</b>膝關(guān)節(jié)置換下肢生物力線的確定一直是困擾骨科醫(yī)師的問題，如何解決傳統(tǒng)二維平面下行全膝關(guān)節(jié)置換的弊端，改善術(shù)后效果是目前的一個關(guān)鍵研究點。本發(fā)明將三維空間成像和逆向工程技術(shù)與數(shù)字醫(yī)學(xué)相結(jié)合，基于三段式髖-膝-踝MRI影像數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上利用醫(yī)學(xué)三維可視化軟件Simpleware完成下肢股骨頭-股骨遠端-脛骨近端-踝關(guān)節(jié)的三維重建；然后在逆向工程處理軟Geomagic、Imageware中完成股骨頭中心的空間擬合；基于膝關(guān)節(jié)遠端的解剖形態(tài)，空間擬合確定膝關(guān)節(jié)中心；同理確定脛骨平臺中心和踝關(guān)節(jié)中心，三維建立股骨頭中心到踝關(guān)節(jié)中心這四點的連線得到三維空間全下肢的生物力線，為整個膝關(guān)節(jié)置換的準(zhǔn)確進行提供依據(jù)。
【IPC分類】A61B5/055
【公開號】CN105361883
【申請?zhí)枴緾N201410416464
【發(fā)明人】方學(xué)偉, 陸聲, 盧秉恒, 王麗莎, 陳禎
【申請人】方學(xué)偉
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2014年8月22日