膝关节置换三维空间下肢生物力线的确定方法
【技术领域】
[0001]本发明专利将三维可视化技术与逆向工程技术(Reverse Engnieering)同数字医学相结合，将计算机技术与机械工程学科的专业知识综合应用到生物医学领域，解决医学面临的问题。
[0002]本发明专利利用现代先进的医疗影像技术，采用3.0T核磁机扫描获取到髋-膝-踝影像数据，利用医学三维可视化软件Simpleware完成下肢三段式数据的重建，在此基础上结合逆向工程软件Imageware、Geomagic等三维空间完成全下肢生物力线的建立。
[0003]本发明专利精确的解决了传统膝关节置换在二维平面定位下肢生物力线的弊端，利用三维医疗影像可视化技术和逆向工程技术解决生物医疗领域面临的难题。通过实验验证了三维力线下行膝关节置换的准确性，大大提高了手术精度。
【背景技术】
[0004]1860 年由 Vernei 1 提出膝关节成形术(total knee arthroplasty, TKA),由于早期受材料等方面因素的影响手术失败率比较高。在经过了一个世纪的探索之后，20世纪50年代出现了人工膝关节最早的假体。膝关节置换术，在美国由1975年的1万例增至1990年的15万例，在瑞典近20年置换术增加了 5倍。有人估计在德国每年约人工置换5.5万个膝关节。我国已进入老龄化社会，据国内报刊记载，65岁以上的老年人口中骨关节病发病率占80%以上并有人工膝关节置换指征，而尚未手术者估计有200万。2002年全世界范围内人工膝关节置换术，全年超过60万例，这个数目现在还在增加中。
[0005]人工全膝关节置换术的成功与否及对临床疗效的影响因素研究，一直是人们关注的问题，要取得好的临床远期疗效，对于适应症的选择、假体的选定、手术技巧的准确掌握及手术前的管理都很重要，尤其在很大程度上对手术技巧的要求，既要在三维空间上准确截骨、假体立体安置，实现膝关节置换术后生物力学的再复制。文献报道除了感染、脂肪栓塞等一般并发症之外，高达50%的早期翻修术与力线不当、假体摆位不当及关节失稳有关。因此，为了获得更好的远期随访效果，解剖重建下肢生物力线和假体旋转轴线是人们不断探索和追求的最终目标。
[0006]传统全膝关节置换手术通过术前X线片检查和术中机械导向装置进行髓内、髓外定位截骨术者凭借肉眼、手感和经验来定位解剖标志、下肢力线和假体旋转轴线，然后手工划线截骨、假体放置和软组织平衡。这种基于肉眼对肢体和假体的观察完成的对位、对线有很大的主观性，直接影响了该定位方式的可靠性和手术的精确性，甚至导致手术的失败。尽管人们不断完善机械定位系统，提高假体植入的准确性，但系统本身固有的局限性决定了其可能达到的精度，文献报道即使是最精细的机械定位系统，由经验丰富的医生运用，股骨与腔骨对线误差超过3°的发生率也至少为10%。而且机械定位测量系统是以假想的标准化骨骼的解剖及几何形态为基础的，可能并不适用于某些特定病例。因此，传统手术方法的精确度问题是困扰手术医生的主要问题，如何提高膝关节置换的精确度，准确的建立下肢生物力线是关键。
【发明内容】
[0007]本发明专利是为了解决传统膝关节置换过程在二维平面定位下肢生物力线的弊端，摆脱二维平面定位的主观随意性，提高膝关节置换的截骨定位精度，改善患者的关节生理功能。将医学三维可视化、逆向工程技术与数字医学相结合完成三维空间全下肢生物力线的建立。
[0008]为了解决三维空间确定下肢力线的上述问题，克服二维平面定位下肢生物力线的随意性，提高截骨定位精度；本发明通过医学三维可视化技术，利用3.0T核磁机获取到下肢三段式髋-膝-踝影像数据；在此基础上结合医学三维可视化软化Simplware完成下肢股骨头-股骨远端-胫骨近端-踝关节的三维重建。
[0009]然后结合逆向工程软件Geomagic、Imageware等完成股骨头中心的三维空间拟合，再根据患者的关节形态，实现膝关节空间中心的拟合。同理，完成胫骨近端及踝关节中心的拟合。
[0010]本发明专利根据拟合确定的股骨头中心、膝关节中心、胫骨平台中心及踝关节中心建立四点的连线，得到三维空间人体全下肢生物力线。
[0011]本发明专利在建立了下肢三维空间力线之后，为了完成整个膝关节置换还需三维确定股骨远端旋转轴线，通过MRI断层影像数据在三维空间根据人体股骨远端的解剖形态结构建立起股骨远端假体的虚拟旋转轴线。在此基础上根据实际手术过程中的需求，结合Mimics医学影像控制软件，完成术前模拟截骨，验证三维力线下行膝关节置换的准确性。
[0012]本发明专利在完成三维力线模拟膝关节置换截骨的过程中与骨科医生进行交互，通过不同骨科医生对整个模拟截骨过程的评价之后，完成整个力线的空间建立。
[0013]【附图说明】:
附图1、图2、图3是三段式股骨头、膝关节、踝关节；
附图4、图5、图6是股骨软骨、膝关节软骨、胫骨平台软骨；
附图7、图8、图9、图10是股骨头中心、膝关节中心、胫骨平台中心、踝关节中心；
附图11、图12是全下肢生物力学轴线正位和侧位图。
[0014]【具体实施方式】:
要完成下肢三维力线的重建，需获取患者下肢的医疗影像数据。传统膝关节置换中都是医生根据术前扫描患者的下肢二维X平片划线确定下肢力线，这种方法不仅带有很大的主观随意性，而且很难完成力线的准确定位。后来出现了利用CT完成下肢力线的定位，但利用CT扫描患者全下肢对病人的辐射量太大，重建过程也比较复杂，且不能显示患者的关节软骨，而关节软骨对患者的膝关节置换效果至关重要。所以本发明专利中采用3.0T核磁机获取患者下肢三段式髋-膝-踝MRI核磁影像数据，节约三维重建时间，去除对患者的辐射，考虑关节软骨对整个膝关节置换的影响。
[0015]完成了髋-膝-踝三段式MRI数据扫描之后需要进行三维可视化，在Simplware软件中完成股骨头、股骨远端、胫骨近端、踝关节和关节软骨的三维重建以STL格式保存。骨性结构和关节软骨的三维模型导入到Geomgaic中将股骨头近似视为一标准球体，选取股骨头部分点云拟合为一球体取其球心作为股骨头中心；拟合确定股骨远端内外侧后髁最佳包容的两个球体，取球心中心连线的中点为膝关节中心；拟合确定胫骨内外侧嵴最高点连线的中点，最佳拟合确定踝关节内外侧髁凸点连线的中点为踝关节中心。
[0016]三维空间拟合确定了股骨头中心、膝关节中心、胫骨平台中心和踝关节中心之后，在三维空间建立四点的连线得到了全下肢生物力线。
[0017]要准确的完成膝关节置换还需要三维建立股骨远端假体虚拟的空间旋转轴线，根据股骨远端的解剖形态结构，将MRI扫描数据导入到Simplware中，确定股骨远端内髁最凹点和外髁最凸点三维空间坐标，在Geomagic中建立股骨远端旋转轴线。
[0018]实现了下肢生物力线和股骨远端旋转轴线的三维建立之后，还需要验证其准确性。本发明专利通过与医生之间进行交互，根据实际膝关节置换过程，根据膝关节置换需要达到的截骨要求，利用Mimics在三维空间完成模拟膝关节截骨过程。
[0019]完成模拟截骨之后，通过在Imageware中三维观察截骨效果，测量截骨厚度，观察截骨面的状态；在此基础上向二维平面投影，让不同的骨科医生来查阅截骨效果，实现医生与工程师之间的交互，确保整个膝关节三维空间力线的准确性。
【主权项】
1.膝关节置换三维空间下肢生物力线的确定方法是为了解决传统膝关节置换在二维平片上定位下肢生物力线的主观随意性所带来的误差，利用3.0TMRI核磁机获取下肢髋-膝-踝断层影像数据，完成数据的三维可视化，然后结合逆向工程技术实现股骨头中心、膝关节中心、胫骨平台中心、踝关节中心的拟合，三维建立全下肢生物力学轴线。2.根据权利要求1所述的膝关节置换三维空间下肢生物力线的确定方法，其特征在于利用三段式MRI影像数据在Simpleware三维可视化软件中实现断层影像数据的可视化重建，完成股骨头、股骨远端、胫骨近端、踝关节的三维重建。3.根据权利要求2所述的膝关节置换三维空间下肢生物力线的确定方法，其特征在于所述的三维可视化过程需要综合运用数字骨科和逆向工程技术，综合运用逆向工程软件Imageware、Geomagic、CAT IA等,通过数据的三维空间拟合，确定相关的关节中心。4.根据权利要求1所述的膝关节置换三维空间下肢生物力线的确定方法，其特征在于所述的下肢生物力学轴线是股骨头中心、膝关节中心、胫骨平台中心、踝关节中心四点在三维空间的连线。5.根据权利要求1所述的膝关节置换三维空间下肢生物力线的确定方法，其特征在于所述的下肢生物力线在作为膝关节置换的参考基准过程中，还建立了膝关节假体的三维空间旋转轴线，确保膝关节置换的截骨的准确性。6.根据权利要求1所述的膝关节置换三维空间下肢生物力线的确定方法，其特征在于三维建立了下肢生物力学轴线的基础上，利用MRI数据完成了股骨软骨及胫骨平台软骨的三维重构，然后利用逆向工程软件Imageware及Mimics软件等实现膝关节置换的模拟截骨过程，测量截骨厚度，实现整个截骨过程。7.根据权利要求6所述膝关节置换三维空间下肢生物力线的确定方法，其特征在于实现了空间模拟截骨之后跟不同的骨科医生进行交互，验证整个三维空间力线的可行性和有效性。
【专利摘要】本发明涉及一种膝关节置换三维空间下肢生物力线的确定方法<b>。</b>膝关节置换下肢生物力线的确定一直是困扰骨科医师的问题，如何解决传统二维平面下行全膝关节置换的弊端，改善术后效果是目前的一个关键研究点。本发明将三维空间成像和逆向工程技术与数字医学相结合，基于三段式髋-膝-踝MRI影像数据，在此基础上利用医学三维可视化软件Simpleware完成下肢股骨头-股骨远端-胫骨近端-踝关节的三维重建；然后在逆向工程处理软Geomagic、Imageware中完成股骨头中心的空间拟合；基于膝关节远端的解剖形态，空间拟合确定膝关节中心；同理确定胫骨平台中心和踝关节中心，三维建立股骨头中心到踝关节中心这四点的连线得到三维空间全下肢的生物力线，为整个膝关节置换的准确进行提供依据。
【IPC分类】A61B5/055
【公开号】CN105361883
【申请号】CN201410416464
【发明人】方学伟, 陆声, 卢秉恒, 王丽莎, 陈祯
【申请人】方学伟
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2014年8月22日