一种个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法

本发明涉及膝关节单髁置换胫骨截骨手术操作辅助医疗器械技术领域，特别涉及一种个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法。

背景技术：

膝关节骨性关节炎(koa)是中老年膝关节疼痛和功能障碍的主要原因，晚期膝关节骨性关节炎患者，手术治疗成为最后的手段。对于单一胫股关节间室退变严重而对侧间室无任何疼痛不适的患者，有学者推荐使用单侧膝关节置换术(unicompartmentalkneearthroplasty，uka)。

早期uka的失败率较高，因此uka的接受度不高。随着微创手术技术和假体设计成熟，uka在治疗单间室koa获得了令人满意的临床效果。国内外大量文献指出uka治疗膝关节前内侧间室骨性关节炎具有创伤小、恢复快等优点。然而研究显示，uka过早失败与胫骨假体位置不良密切相关，而胫骨截骨所获得的骨床形态和假体不匹配是造成假体位置不良的重要原因之一。临床上，uka胫骨侧截骨准确性在很大程度上依赖于术者主观因素影响，导致假体植入距离目标位置存在较大偏差，因此产生解剖学和动力学对线的失匹配问题，从而产生松动和撞击等一系列问题。

因此，针对现有技术不足，提供一种个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法以解决现有技术不足甚为必要。

技术实现要素：

本发明其中一个的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法。该个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法能够提高个性化胫骨截骨导板的截骨精准度、改善定位及定向准确性。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：

提供一种个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法,包括步骤有：

步骤一、收集对象的双下肢站立位全长片和双下肢ct断层扫描数据，得到负重功能位状态下的目标侧下肢三维几何模型；

步骤二、将步骤一得到的目标下肢三维几何模型进行胫骨力线轴特征提取并转换为初始实体模型；

步骤三、将步骤二得到的初始实体模型沿矢状面旋转90°得到膝关节屈曲90°体位实体模型；

步骤四、确定步骤三得到的膝关节屈曲90°体位实体模型的胫骨水平截骨平面和垂直截骨平面，并进行虚拟截骨，得到获得截骨后的胫骨实体模型，然后将胫骨实体模型与预先得到的牛津单髁胫骨假体模型数据库的胫骨假体进行模拟植入，得到个性化骨-假体装配模型；

步骤五、根据步骤四得到的个性化骨-假体装配模型进行截骨导板设计，得到个性化单髁胫骨截骨导板模型；

步骤六、将步骤五得到的个性化单髁胫骨截骨导板模型进行3d打印得到的个性化胫骨截骨导板。

优选的，上述步骤一具体步骤为：

步骤1.1、收集对象的双下肢站立位全长片和双下肢ct断层扫描数据；

步骤1.2、通过三维重建软件对双下肢ct断层扫描数据进行图像处理，得到目标侧下肢三维几何模型；

步骤1.3、通过图像配准功能将目标侧下肢三维几何模型与双下肢站立位全长片进行2d/3d配准，得到负重功能位状态下输出格式为stl的目标侧下肢三维几何模型。

优选的，上述步骤二具体步骤为将步骤一得到的目标下肢三维几何模型导入逆向工程软件中进行胫骨力线轴特征提取，然后将转换成输出格式为stl的初始实体模型。

优选的，上述步骤三具体为：

步骤3.1、将步骤二得到的初始实体模型导入cad设计软件，确定膝关节中心点；

步骤3.2、以膝关节中心点将股骨和骨盆模型沿矢状面旋转90°，得到膝关节屈曲90°体位实体模型

优选的，上述步骤四具体为：

步骤4.1、确定步骤三得到的膝关节屈曲90°体位实体模型的胫骨水平截骨平面和垂直截骨平面；

步骤4.2、以胫骨水平截骨平面和垂直截骨平面作为参照，用布尔运算法对胫骨侧进行虚拟截骨，得到胫骨实体模型；

步骤4.3、将步骤4.2得到的胫骨实体模型分别与预先得到的牛津单髁胫骨假体模型数据库中的胫骨假体进行模拟植入；

步骤4.4、判断假体-骨床的匹配幅度，当匹配幅度超过2mm则返回步骤4.2，否则进入步骤4.5；

步骤4.5、选择覆盖率最高的胫骨假体与胫骨实体模型组成的个性化骨-假体装配模型。

优选的，上述步骤五具体为根据步骤四得到的个性化骨-假体装配模型进行截骨导板设计，通过布尔运算组成得到输出格式为stl格式的个性化单髁胫骨截骨导板模型。

优选的，上述牛津单髁胫骨假体模型数据库通过激光三维扫描仪扫描多个不同型号的牛津单髁胫骨假体实物获得相应的点云数据，然后通过逆向工程方法对点云进行封装和曲面拟合得到对应多个三维模型，多个三维模型组成所述牛津单髁胫骨假体模型数据库。

优选的，上述截骨导板设计为水平截骨槽及垂直截骨槽设计、导板临时固定克氏针孔设计和导板解剖贴合部设计。

优选的，上述图像处理操作为定义去噪、灰度阈值、区域生长、形态学操作、布尔操作或者三维编辑中的至少一种。

优选的，上述行胫骨力线轴特征提取为通过将胫骨干拟合为理想圆柱体，以理想圆柱体的中轴作为胫骨力线轴特征。

优选的，上述垂直截骨槽与所述水平截骨槽相连，且形成“l”型截骨槽。

优选的，上述垂直截骨槽的两端封闭。

优选的，上述固定克氏针孔为克氏针穿过的通道。

优选的，上述解剖贴合部通过对于胫骨平台截骨区域曲面片得到。

优选的，上述三维重建软件为mimics软件、simpleware软件或3d-doctor软件。

优选的，上述逆向工程软件为geomagicstudio软件或者rapidform软件。

本发明的一种个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法,包括六个步骤。本发明有益效果包括有：1、采用了对象双下肢站立位全长片以及膝关节ct断层扫描数据作为负重位的膝关节模型三维重建基础，双下肢站立位全长片以及膝关节ct断层扫描数据的来源可靠且容易获取。2、本发明采用的逆向工程技术建模方法，反向构建出具有高度的个性化解剖匹配度的胫骨截骨导板设计，最后通过3d打印出个性化胫骨截骨导板，能在最大程度提高个体化精准度。3、本发明通过虚拟截骨，从而能准确地评估对象的截骨量，并能预先确定津单髁胫骨假体实物的型号。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1为一种个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的流程图。

图2为实施例2的右下肢三维几何模型的示意图。

图3为实施例2的初始实体模型的示意图。

图4为实施例2的右下肢膝关节屈曲90°体位实体模型的示意图。

图5为实施例2的定义胫骨水平截骨平面的示意图。

图6为实施例2的定义胫骨垂直截骨平面的示意图。

图7为实施例2的个性化骨-假体装配模型的示意图。

图8为实施例2的个性化胫骨截骨导板装配的示意图。

图9为个性化胫骨截骨导板的结构示意图。

图10为图9的另一角度示意图。

图11为图9的另一角度示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1。

一种个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法,包括步骤有：

包括步骤有：

步骤一、收集对象的双下肢站立位全长片和双下肢ct断层扫描数据，得到负重功能位状态下的目标侧下肢三维几何模型；

步骤二、将步骤一得到的目标下肢三维几何模型进行胫骨力线轴特征提取并转换为初始实体模型；

步骤三、将步骤二得到的初始实体模型沿矢状面旋转90°得到膝关节屈曲90°体位实体模型；

步骤四、确定步骤三得到的膝关节屈曲90°体位实体模型的胫骨水平截骨平面和垂直截骨平面，并进行虚拟截骨，得到获得截骨后的胫骨实体模型，然后将胫骨实体模型与预先得到的牛津单髁胫骨假体模型数据库的胫骨假体进行模拟植入，得到个性化骨-假体装配模型；

步骤五、根据步骤四得到的个性化骨-假体装配模型进行截骨导板设计，得到个性化单髁胫骨截骨导板模型；

步骤六、将步骤五得到的个性化单髁胫骨截骨导板模型进行3d打印得到的个性化胫骨截骨导板。

其中，步骤一具体步骤为：

步骤1.1、收集对象的双下肢站立位全长片和双下肢ct断层扫描数据；

步骤1.2、通过三维重建软件对双下肢ct断层扫描数据进行图像处理，得到目标侧下肢三维几何模型；

步骤1.3、通过图像配准功能将目标侧下肢三维几何模型与双下肢站立位全长片进行2d/3d配准，得到负重功能位状态下输出格式为stl的目标侧下肢三维几何模型。

其中，步骤二具体步骤为将步骤一得到的目标下肢三维几何模型导入逆向工程软件中进行胫骨力线轴特征提取，然后将转换成输出格式为stl的初始实体模型。

其中，步骤三具体为：

步骤3.1、将步骤二得到的初始实体模型导入cad设计软件，确定膝关节中心点；

步骤3.2、以膝关节中心点将股骨和骨盆模型沿矢状面旋转90°，得到膝关节屈曲90°体位实体模型。

其中，步骤四具体为：

步骤4.1、确定步骤三得到的膝关节屈曲90°体位实体模型的胫骨水平截骨平面和垂直截骨平面；

步骤4.2、以胫骨水平截骨平面和垂直截骨平面作为参照，用布尔运算法对胫骨侧进行虚拟截骨，得到胫骨实体模型；

步骤4.3、将步骤4.2得到的胫骨实体模型分别与预先得到的牛津单髁胫骨假体模型数据库中的胫骨假体进行模拟植入；

步骤4.4、判断假体-骨床的匹配幅度，当匹配幅度超过2mm则返回步骤4.2，否则进入步骤4.5；

步骤4.5、选择覆盖率最高的胫骨假体与胫骨实体模型组成的个性化骨-假体装配模型。

其中，步骤五具体为根据步骤四得到的个性化骨-假体装配模型进行截骨导板设计，通过布尔运算组成得到输出格式为stl格式的个性化单髁胫骨截骨导板模型。

本发明的牛津单髁胫骨假体模型数据库通过激光三维扫描仪扫描多个不同型号的牛津单髁胫骨假体实物获得相应的点云数据，然后通过逆向工程方法对点云进行封装和曲面拟合得到对应多个三维模型，多个三维模型组成所述牛津单髁胫骨假体模型数据库。

本发明的图像处理操作为定义去噪、灰度阈值、区域生长、形态学操作、布尔操作或者三维编辑中的至少一种。

本发明的胫骨力线轴特征提取为通过将胫骨干拟合为理想圆柱体，以理想圆柱体的中轴作为胫骨力线轴特征。

本发明的截骨导板设计为水平截骨槽及垂直截骨槽设计、导板临时固定克氏针孔设计和导板解剖贴合部设计。

其中，固定克氏针孔为克氏针穿过的通道。其中，垂直截骨槽与所述水平截骨槽相连，且形成“l”型截骨槽。其中垂直截骨槽的两端封闭。其中，解剖贴合部通过对于胫骨平台截骨区域曲面片得到。

需要说明的是，两端封闭垂直截骨槽用来限制术中往复锯沿胫骨水平截骨平面内移动，防止往复锯往外侧过度切割导致侧副韧带损伤。本发明的固定克氏针孔的作用为起导向作用。而解剖贴合部的作有是起特异性贴合作用，以维持截骨导板与胫骨解剖表面的相匹配。

本发明的三维重建软件为mimics软件、simpleware软件或3d-doctor软件。本发明的逆向工程软件为geomagicstudio软件或者rapidform软件。

该个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法,包括六个步骤。本发明有益效果包括有：1、采用了对象双下肢站立位全长片以及膝关节ct断层扫描数据作为负重位的膝关节模型三维重建基础，双下肢站立位全长片以及膝关节ct断层扫描数据的来源可靠且容易获取。2、本发明采用的逆向工程技术建模方法，反向构建出具有高度的个性化解剖匹配度的胫骨截骨导板设计，最后通过3d打印出个性化胫骨截骨导板，能在最大程度提高个体化精准度。3、本发明通过虚拟截骨，从而能准确地评估对象的截骨量，并能预先确定津单髁胫骨假体实物的型号。

实施例2。

一种个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法,以右下肢为目标下肢进行说明。

步骤一、收集对象的双下肢站立位全长片和双下肢ct断层扫描数据，得到负重功能位状态下的目标侧下肢三维几何模型，如图2。

步骤二、将步骤一得到的目标下肢三维几何模型进行胫骨力线轴特征提取并转换为初始实体模型，如图3。

步骤三、将步骤二得到的初始实体模型沿矢状面旋转90°得到膝关节屈曲90°体位实体模型，如图4。

步骤四、确定步骤三得到的膝关节屈曲90°体位实体模型的胫骨水平截骨平面和垂直截骨平面，并进行虚拟截骨，得到获得截骨后的胫骨实体模型，然后将胫骨实体模型与预先得到的牛津单髁胫骨假体模型数据库的胫骨假体进行模拟植入，得到个性化骨-假体装配模型。

步骤五、根据步骤四得到的个性化骨-假体装配模型进行截骨导板设计，得到个性化单髁胫骨截骨导板模型。

步骤六、将步骤五得到的个性化单髁胫骨截骨导板模型进行3d打印得到的个性化胫骨截骨导板，如图9至11。

本实施例的水平截骨平面的确定方法为在cad设计软件中，定义、步骤二获取的胫骨力线轴，将其投影至矢状面，获得直线a，并在矢状面中作一直线b与之垂直；然后将直线b沿矢状面法线方向拉伸，获得平面a；再通过胫骨平台内侧间室最低点，作一与平面a相平行的平面b，并将平面b沿x轴方向旋转7°，获得平面c，进一步将平面c沿直线a方向往下移动3mm，获得最终水平截骨平面d，模拟胫骨水平截骨后倾截骨角度以及截骨位置，如图5。

本实施例的垂直截骨平面的确定方法为在屈膝90°体位上，选取前交叉韧带止点稍内侧特征点，尽量靠近胫骨髁间嵴，方向指向髂前上棘最高点，建立垂直截骨平面，模拟胫骨垂直截骨，如图6。

其中，步骤一具体步骤为：

步骤1.1、收集对象的双下肢站立位全长片和双下肢ct断层扫描数据；

步骤1.2、通过三维重建软件对双下肢ct断层扫描数据进行图像处理，得到目标侧下肢三维几何模型；

步骤1.3、通过图像配准功能将目标侧下肢三维几何模型与双下肢站立位全长片进行2d/3d配准，得到负重功能位状态下输出格式为stl的目标侧下肢三维几何模型。

其中，步骤二具体步骤为将步骤一得到的目标下肢三维几何模型导入逆向工程软件中进行胫骨力线轴特征提取，然后将转换成输出格式为stl的初始实体模型。

其中，步骤三具体为：

步骤3.1、将步骤二得到的初始实体模型导入cad设计软件，确定膝关节中心点；

步骤3.2、以膝关节中心点将股骨和骨盆模型沿矢状面旋转90°，得到膝关节屈曲90°体位实体模型。

其中，步骤四具体为：

步骤4.1、确定步骤三得到的膝关节屈曲90°体位实体模型的胫骨水平截骨平面和垂直截骨平面；

步骤4.2、以胫骨水平截骨平面和垂直截骨平面作为参照，用布尔运算法对胫骨侧进行虚拟截骨，得到胫骨实体模型；

步骤4.3、将步骤4.2得到的胫骨实体模型分别与预先得到的牛津单髁胫骨假体模型数据库中的胫骨假体进行模拟植入；

步骤4.4、判断假体-骨床的匹配幅度，当匹配幅度超过2mm则返回步骤4.2，否则进入步骤4.5；

步骤4.5、选择覆盖率最高的胫骨假体与胫骨实体模型组成的个性化骨-假体装配模型，如图7。

其中，步骤五具体为根据步骤四得到的个性化骨-假体装配模型进行截骨导板设计，通过布尔运算组成得到输出格式为stl格式的个性化单髁胫骨截骨导板模型，图8。

该个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法,包括六个步骤。本发明有益效果包括有：1、采用了对象双下肢站立位全长片以及膝关节ct断层扫描数据作为负重位的膝关节模型三维重建基础，双下肢站立位全长片以及膝关节ct断层扫描数据的来源可靠且容易获取。2、本发明采用的逆向工程技术建模方法，反向构建出具有高度的个性化解剖匹配度的胫骨截骨导板设计，最后通过3d打印出个性化胫骨截骨导板，能在最大程度提高个体化精准度。3、本发明通过虚拟截骨，从而能准确地评估对象的截骨量，并能预先确定津单髁胫骨假体实物的型号。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。