CN102760199A - 用于膝关节置换的导航模板制作方法及导航模板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于膝关节置换的导航模板制作方法，使用CT断层扫描髋关节、膝关节和踝关节，获得CT数据，根据CT数据构建股骨和胫骨的三维重建模型；分别将股骨和胫骨的三维重建模型与一三维立体结构进行合并处理，再分别将股骨和胫骨的三维模型从三维立体结构中去除；根据膝关节置换过程，对内含股骨轮廓的所述三维立体结构模型进行股骨远端虚拟截骨，对含有胫骨轮廓的所述三维立体结构模型进行胫骨近端的虚拟截骨；建立虚拟的股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板，制作实体的股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板。本发明制作个体化的导航模板，该导航模板放置在患膝股骨髁和胫骨平台上进行截骨面和旋转轴的定位，可实现个体化精确截骨。
Description
技术领域
本发明涉及手术用导航模板的制作方法领域，特别涉及一种用于膝关节置换的导航模板制作方法及导航模板。
背景技术
随着社会老龄化，骨性关节炎(osteoarthritis，OA)已成为全人类最常见的骨关节疾病，根据世界卫生组织最新统计显示，人类由于各种原因导致的骨性关节炎数量呈现逐年倍增的趋势，其结局多是需要进行人工关节置换术，这可以解决患者疼痛，提高生活质量，但前提是精确截骨和假体准确对位、对线，实现膝关节置换术后生物力学的再复制。
作为主要关节置换之一，全膝关节置换术(TKA)是一项成熟的手术，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、围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、假体立体摆置，还要注意屈伸膝关节时间隙及韧带等软组织平衡、稳定，保证股骨、胫骨和髌骨假体部件的置位准确无误。据有关文献报道，除了感染、脂肪栓塞等一般并发症之外，5％～8％的失败率与假体松动和失稳有关，髌股关节疼痛和屈曲受限等则占20％～40％，而高达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学轴线和假体旋转轴线是人们不断探索和追求的最终目标。
传统全膝关节置换手术通过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。据有关文献报道，即使是最精细的机械定位系统，由经验丰富的医生运用，股骨与胫骨对线误差超过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，而且传统的髓内定位有潜在感染和脂肪栓塞的风险。
目前，较为先进的导航技术可以提高假体对位、对线准确性，但导航系统仍采用传统术式相同的解剖标志定位下肢力线和假体旋转轴线，从而校准传统的截骨导板进行截骨，依然没有摆脱传统的定位参照和截骨器械，只是基于验证和校正错误力线的基础上提高手术准确性。所以，导航系统本身也没有很好的解决解剖重建下肢生物力学轴线和假体旋转轴线问题。
因此，如何精确定位下肢生物力学轴线，实现个体化解剖截骨，获得准确的假体旋转轴线及正确的对线、对位，从而实现膝关节生物力学特性的再复制，成为当前医学界面临的挑战，也是提高患者生活质量，保护我国有限的医药卫生资源，关乎社会经济发展的重要课题。
发明内容
本发明的目的提供一种用于膝关节置换的导航模板制作方法，该方法可制作个体化的导航模板，该导航模板放置在患膝股骨髁和胫骨平台上进行截骨面和旋转轴的定位，实现个体化精确截骨。
本发明一种用于膝关节置换的导航模板制作方法，该方法包括：使用CT断层扫描髋关节、膝关节和踝关节，获得包含髋关节、膝关节和踝关节结构特征的CT数据；重建CT数据，获得膝关节的外旋角度、股骨机械轴、胫骨机械轴和胫骨后倾轴；根据股骨机械轴、胫骨机械轴建立机械轴垂直面，进而构建股骨和胫骨的三维重建模型；分别将股骨和胫骨的三维重建模型与一可包覆所述股骨和胫骨三维重建模型的三维立体结构进行合并处理，再分别将股骨和胫骨的三维模型从所述三维立体结构中进行去除，得到内含股骨轮廓的三维立体结构模型和内含胫骨轮廓的三维立体结构模型；根据膝关节置换过程，对内含股骨轮廓的所述三维立体结构模型进行股骨远端虚拟截骨，对含有胫骨轮廓的所述三维立体结构模型进行胫骨近端的虚拟截骨；进行模板设计操作，建立虚拟的股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板；利用快速成型技术将实体的股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板制作出来；其中，所述股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板为与股骨髁和胫骨平台完全贴合的反向导航模板。
优选的，所述股骨髁导航模板包括股骨远端截骨导缘和定位外旋轴圆孔；所述胫骨平台导航模板包括带个体化后倾角的截骨导缘；
优选的，所述截骨导缘设置为导航模板外边缘的一部分或设置为位于导航模板上的截骨间隙。
优选的，所述三维立体结构为长方体.
优选的，重建CT数据之后，该方法还包括：将CT数据进行点处理和去噪处理。
优选的，根据股骨机械轴、胫骨机械轴建立机械轴垂直面之前，还包括：对CT数据进行曲面化操作。
优选的，股骨远端和胫骨近端虚拟截骨后的轮廓图利用快速成型机制作出等大的模板，用于导航模板实际截骨后股骨远端和胫骨近端轮廓的对比，检查导航模板截骨的精确性。
本发明还公开一种用于膝关节置换的导航模板，该导航模板放置在患膝股骨髁和胫骨平台上进行截骨面和旋转轴的定位，实现个体化精确截骨。
本发明一种用于膝关节置换的导航模板，包括股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板，其特征在于，所述股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板为与股骨髁和胫骨平台完全贴合的反向导航模板。
优选的，所述股骨髁导航模板包括股骨远端截骨导缘和定位外旋轴圆孔；所述胫骨平台导航模板包括带个体化后倾角的截骨导缘；
优选的，所述截骨导缘设置为导航模板外边缘的一部分或设置为位于导航模板上的截骨间隙。
优选的，还包括股骨远端和胫骨近端虚拟截骨后的轮廓模板，用于导航模板实际截骨后股骨远端和胫骨近端轮廓的对比，检查导航模板截骨的精确性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明术前CT能很好的客观评价下肢生物力线轴线，结合影像学数据采用工程软件分析设计得到的个体化导航截骨模板能精确进行膝关节置换截骨，避免了轴线的偏移。本发明技术是个体化设计操作，避免了统一的截骨标准，实现了膝关节置换术后生物力学特性的再复制，实现个体化精确截骨，从而提高假体植入远期随访效果，降低术后并发症，而且摆脱了计算机导航系统复杂的学习曲线和高昂的设备费用。
附图说明
图1为本发明用于膝关节置换的导航模板制作方法流程图；
图2为本发明胫骨机械轴示意图；
图3为本发明胫骨后倾轴示意图；
图4为本发明股骨三维重建模型和三维立体结构模型和合后示意图；
图5为本发明虚拟截骨后的股骨远端轮廓图；
图6为本发明虚拟截骨后的胫骨近端轮廓图；
图7为本发明股骨髁示意图；
图8为本发明胫骨平台示意图；
图9为本发明截骨导航模板与股骨髁结合示意图；
图10为本发明截骨导航模板与胫骨平台结合示意图；
图11为本发明股骨远端轮廓导航模板图；
图12为本发明胫骨近端轮廓导航模板图；
图13为本发明股骨髁导航模板示意图；
图14为本发明胫骨平台导航模板示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明利用新型工程学的逆向工程技术原理，采用CT技术获取髋关节、膝关节和踝关节的CT数据，利用CT数据构建股骨和胫骨的三维重建模型，将股骨和胫骨的三维模型分别与三维立体结构合并处理后，再分别将股骨和胫骨的三维重建模型去除，获得含有股骨轮廓的立方体模型和含有胫骨轮廓的三维立体结构模型，，再进行模板设计操作和实体制作，得到股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板。
参见图1，示出本发明用于膝关节置换的导航模板制作方法，具体步骤如下。
步骤S101、使用三维CT依次断层扫描髋关节、膝关节和踝关节，获得包含髋关节、膝关节和踝关节结构特征的CT数据，以DICOM格式保存CT数据。
步骤S102、使用Mimics10.0软件对CT数据进行三维重建，并在二维图像中获得膝关节的外旋角度。
步骤S103、重建CT数据，以STL格式导入到逆向工程软件Geomagic Studio中，将CT数据进行点处理，CT数据去噪后利用工程软件分别获得股骨机械轴、胫骨机械轴(见图2)和胫骨后倾轴(见图3)。
步骤S104、对CT数据进行曲面化操作，以IGS格式导入Pro ENGINEER软件，根据股骨机械轴、胫骨机械轴建立机械轴垂直面，构建股骨和胫骨的三维重建模型，分别将股骨和胫骨的三维重建模型与一三维立体结构模型进行合并处理，合并后再将股骨和胫骨的三维重建模型从三维立体结构模型中进行去除，得到内含股骨轮廓的三维立体结构模型和内含胫骨轮廓的三维立体结构模型。三维立体结构模型为长方体结构。见图4，示出股骨三维重建模型和三维立体结构模型和合后示意图。
步骤S105、根据具体膝关节置换过程在立方体模型上进行模板设计操作，对内含股骨轮廓的所述三维立体结构模型进行股骨远端虚拟截骨，对含有胫骨轮廓的所述三维立体结构模型进行胫骨近端的虚拟截骨。参见图5和图6，分别示出虚拟截骨后的股骨远端和胫骨近端轮廓图。
步骤S106、进行模板设计操作，建立虚拟的股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板，将导航模板以STL格式进行保存。见图7和图8，示出股骨髁和胫骨平台。
步骤S107、利用快速成型技术将实体的股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板制作出来；其中，所述股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板为与股骨髁和胫骨平台完全贴合的反向导航模板。见图9和图10，示出截骨导航模板与股骨髁和胫骨平台的吻合关系。
股骨远端和胫骨近端虚拟截骨后的轮廓图利用快速成型机制作出等大的模板，用于导航模板实际截骨后股骨远端和胫骨近端轮廓的对比，检查导航模板截骨的精确性。见图11和图12，分别示出股骨远端和胫骨近端轮廓导航模板。临床应用时，将股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板放置在患膝股骨髁和胫骨平台上进行截骨面和旋转轴的定位，实现个体化精确截骨。
见图13，示出股骨髁导航模板示意图。股骨髁导航模板包括股骨远端截骨间隙11和定位外旋轴圆孔12。股骨髁导航模板上的股骨远端截骨间隙12所处的平面与股骨机械轴垂直，股骨髁导航模板最远端的两个定位外旋轴圆孔13连线与股骨外旋轴平行。本发明截骨间隙12主要用于实现精确截骨，也可采用导航模板外边缘等股骨远端截骨导缘。
见图14，示出胫骨平台导航模板示意图，胫骨平台导航模板包括带个体化后倾角的截骨面间隙22。胫骨平台导航模板上的截骨面间隙22所处的平面与胫骨机械轴垂直。本发明截骨间隙22主要用于实现精确截骨，也可采用导航模板外边缘等股骨远端截骨导缘。
众所周知，术前CT能很好的客观评价下肢生物力线轴线，本发明结合影像学数据采用工程软件分析设计得到的个体化导航截骨模板能精确进行膝关节置换截骨，避免了轴线的偏移，而且传统和导航技术采用统一的截骨标准和操作器械进行定位截骨，违背了个体间的解剖差异，破坏了膝关节正常的生物力学特性，本发明技术是个体化设计操作，避免了统一的截骨标准，实现了膝关节置换术后生物力学特性的再复制。并且，本发明实现个体化精确截骨，从而提高假体植入远期随访效果，降低术后并发症，而且摆脱了计算机导航系统复杂的学习曲线和高昂的设备费用。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (11)
1.一种用于膝关节置换的导航模板制作方法，其特征在于，该方法包括：
使用CT断层扫描髋关节、膝关节和踝关节，获得包含髋关节、膝关节和踝关节结构特征的CT数据；
重建CT数据，获得膝关节的外旋角度、股骨机械轴、胫骨机械轴和胫骨后倾轴；
根据股骨机械轴、胫骨机械轴建立机械轴垂直面，进而构建股骨和胫骨的三维重建模型；
分别将股骨和胫骨的三维重建模型与一可包覆所述股骨和胫骨三维重建模型的三维立体结构进行合并处理，再分别将股骨和胫骨的三维模型从所述三维立体结构中进行去除，得到内含股骨轮廓的三维立体结构模型和内含胫骨轮廓的三维立体结构模型；
根据膝关节置换过程，对内含股骨轮廓的所述三维立体结构模型进行股骨远端虚拟截骨，对含有胫骨轮廓的所述三维立体结构模型进行胫骨近端的虚拟截骨；
进行模板设计操作，建立虚拟的股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板；
利用快速成型技术将实体的股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板制作出来；其中，所述股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板为与股骨髁和胫骨平台完全贴合的反向导航模板。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述股骨髁导航模板包括股骨远端截骨导缘和定位外旋轴圆孔；所述胫骨平台导航模板包括带个体化后倾角的截骨导缘；
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述截骨导缘设置为导航模板外边缘的一部分或设置为位于导航模板上的截骨间隙。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维立体结构为长方体.
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，重建CT数据之后，该方法还包括：
将CT数据进行点处理和去噪处理。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据股骨机械轴、胫骨机械轴建立机械轴垂直面之前，还包括：
对CT数据进行曲面化操作。
7.如权利要求1-6所述的方法，其特征在于，股骨远端和胫骨近端虚拟截骨后的轮廓图利用快速成型机制作出等大的模板，用于导航模板实际截骨后股骨远端和胫骨近端轮廓的对比，检查导航模板截骨的精确性。
8.一种用于膝关节置换的导航模板，包括股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板，其特征在于，所述股骨髁导航模板和胫骨平台导航模板为与股骨髁和胫骨平台完全贴合的反向导航模板。
9.如权利要求8所述的导航模板，其特征在于，所述股骨髁导航模板包括股骨远端截骨导缘和定位外旋轴圆孔；所述胫骨平台导航模板包括带个体化后倾角的截骨导缘；
10.如权利要求9所述的导航模板，其特征在于，所述截骨导缘设置为导航模板外边缘的一部分或设置为位于导航模板上的截骨间隙。
11.如权利要求8所述的导航模板，其特征在于，还包括股骨远端和胫骨近端虚拟截骨后的轮廓模板，用于导航模板实际截骨后股骨远端和胫骨近端轮廓的对比，检查导航模板截骨的精确性。
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