CN106109062A - 一种基于生物力学的个性化人工膝关节制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体为一种基于生物力学的个性化人工膝关节制备方法，解决了现有人工关节与人体关节匹配度较差存在应力分布不合理且使用寿命短的问题。制作正常人体生理数据标准模板；制作患者生理数据标准模板；根据患者的生理数据标准模板，寻找与之匹配的数据作为对照者；找到患者在步态周期内下肢肌肉中畸形用力的肌肉；计算获得步态周期内的运动学数据；将置换后的运动学数据与对照者进行比较，找出差异，修改人工关节设计，直到得到的运动学数据与对照者的运动学数据匹配，得到符合生物力学受力特征的个性化人工膝关节。本发明在优化人工关节性能的同时，有效提高了人工关节在患者体内的寿命。

Description

一种基于生物力学的个性化人工膝关节制备方法

技术领域

本发明涉及人工关节的制备方法，具体为一种基于生物力学的个性化人工膝关节制备方法。

背景技术

目前我国已成为世界上老年人口最多的国家之一，而老年性疾病，包括膝关节骨关节病、髋关节骨关节病在内的各类骨关节病其发生率随年龄的增长而不断增高。骨关节疾病严重影响了老年人的生活质量，甚至对他们的生命构成了威胁。目前，随着经济的发展，生活水平的日渐提高，骨性关节病也开始趋向低龄化，将来越来越多的人会受到骨性关节病的困扰。

人工关节置换最适用于因骨关节炎而致的关节功能障碍者。虽然关节置换目前已成为解决骨关节炎的较为普遍的方法，而且有较高的术后满意率。但目前中国人进行关节置换时使用的人工关节，多为欧美公司为本国民众设计，并不非常符合中国人关节的几何尺寸和受力情况。国内生产的符合个体患者需要的个性化人工关节几乎没有。

发明内容

本发明为了解决现有人工关节与人体关节匹配度较差存在应力分布不合理且使用寿命短的问题，提供了一种基于生物力学的个性化人工膝关节制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于生物力学的个性化人工膝关节制备方法，采用如下步骤：a、使用断层扫描技术或核磁共振技术制作正常人体生理数据标准模板，包含参数：年龄、性别、身高、体重、下肢长度、大腿长度、小腿长度、膝宽、踝宽的解剖学数据及关节的断层扫描数据；b、使用三维运动分析捕捉系统结合测力台和表面肌电设备，制作正常人体步行时运动学、动力学数据标准模板，主要参数为关节运动相对空间关系、地面反力和肌电信息；c、使用逆向动力学软件，结合正常人体步行时运动学、动力学数据标准模板中的数据，制作正常人体步行时的肌肉力和关节反力的数据标准模板，并输入至正向动力学软件获得步态周期内的下肢关节角度变化曲线；d、使用正向动力学软件，结合正常人体生理数据标准模板、下肢关节角度变化曲线，制作正常人体动力学仿真分析模板；e、制作患者生理数据标准模板、制作患者步行时运动学、动力学数据标准模板及制作患者步行时的肌肉力和关节反力的生理模型，并构件标准关节置换手术后的生理模型；f、根据患者的标准关节置换手术后的生理模型，结合正常人体动力学仿真分析模板数据，在正常人体生理数据标准模板中寻找与之匹配的数据并提取作为对照者；g、比较患者标准关节置换手术后的生理模型与对照者仿真分析模型在步行时运动学、动力学、肌肉力和关节反力方面的差异，找到患者在步态周期内下肢肌肉中畸形用力的肌肉；h、使用正向动力学软件，结合对照者动力学仿真分析模板数据以及患者生理数据标准模板，计算获得步态周期内的运动学数据；i、在正向动力学软件中，按照临床标准选择目前临床的关节置换类型，替换膝关节处的软骨、半月板，矫正力线、内外翻、内外旋；j、使用正向动力学软件，结合对照者动力学仿真分析模板数据以及标准关节置换手术后的生理模型，计算获得步态周期内的运动学数据；k、将置换后仿真得到的运动学数据与对照者动力学仿真分析模板中的运动学数据进行比较，找出差异，修改人工关节设计，直到得到的运动学数据与对照者的运动学数据匹配，且相关肌肉力无异常，得到符合生物力学受力特征的个性化人工膝关节设计。

采用该方法制得的人工膝关节克服了现有人工关节与人体关节匹配度较差存在应力分布不合理且使用寿命短的问题。

本发明依据病人关节周围组织的几何尺寸，结合病人的运动方式、受力特点及术后预期运动特征，制定出与之完美匹配的人工关节，在优化人工关节性能的同时，有效提高了人工关节在患者体内的寿命。

具体实施方式

一种基于生物力学的个性化人工膝关节制备方法，采用如下步骤：a、使用断层扫描技术或核磁共振技术制作正常人体生理数据标准模板，包含参数：年龄、性别、身高、体重、下肢长度、大腿长度、小腿长度、膝宽、踝宽的解剖学数据及关节的断层扫描数据；b、使用三维运动分析捕捉系统结合测力台和表面肌电设备，制作正常人体步行时运动学、动力学数据标准模板，主要参数为关节运动相对空间关系、地面反力和肌电信息；c、使用逆向动力学软件，结合正常人体步行时运动学、动力学数据标准模板中的数据，制作正常人体步行时的肌肉力和关节反力的数据标准模板，并输入至正向动力学软件获得步态周期内的下肢关节角度变化曲线；d、使用正向动力学软件，结合正常人体生理数据标准模板、下肢关节角度变化曲线，制作正常人体动力学仿真分析模板；e、制作患者生理数据标准模板、制作患者步行时运动学、动力学数据标准模板及制作患者步行时的肌肉力和关节反力的生理模型，并构件标准关节置换手术后的生理模型；f、根据患者的标准关节置换手术后的生理模型，结合正常人体动力学仿真分析模板数据，在正常人体生理数据标准模板中寻找与之匹配的数据并提取作为对照者；g、比较患者标准关节置换手术后的生理模型与对照者仿真分析模型在步行时运动学、动力学、肌肉力和关节反力方面的差异，找到患者在步态周期内下肢肌肉中畸形用力的肌肉；h、使用正向动力学软件，结合对照者动力学仿真分析模板数据以及患者生理数据标准模板，计算获得步态周期内的运动学数据；i、在正向动力学软件中，按照临床标准选择目前临床的关节置换类型，替换膝关节处的软骨、半月板，矫正力线、内外翻、内外旋；j、使用正向动力学软件，结合对照者动力学仿真分析模板数据以及标准关节置换手术后的生理模型，计算获得步态周期内的运动学数据；k、将置换后仿真得到的运动学数据与对照者动力学仿真分析模板中的运动学数据进行比较，找出差异，修改人工关节设计，直到得到的运动学数据与对照者的运动学数据匹配，且相关肌肉力无异常，得到符合生物力学受力特征的个性化人工膝关节设计。

具体实施过程中，断层扫描数据使用断层扫描技术或核磁共振技术获得；从人工关节的几何外形，内部孔隙，材料选择（密度、性能、生物毒性、生物相容性），接触界面力，接触压力分布情况、各部件之间的匹配、及整体结构性能和稳定情况等方面进行人工关节的设计优化；正常人体动力学仿真分析模板，用于与病患模型比对匹配；该个性化人工膝关节设计通过3D打印技术实现。

优化人工关节性能是指优化关节及周边组织应力分布，使之符合生物力学特性；生物力学受力特征是指合理的应力分布。

Claims (1)

1.一种基于生物力学的个性化人工膝关节制备方法，其特征在于：采用如下步骤：a、使用断层扫描技术或核磁共振技术制作正常人体生理数据标准模板，包含参数：年龄、性别、身高、体重、下肢长度、大腿长度、小腿长度、膝宽、踝宽的解剖学数据及关节的断层扫描数据；b、使用三维运动分析捕捉系统结合测力台和表面肌电设备，制作正常人体步行时运动学、动力学数据标准模板，主要参数为关节运动相对空间关系、地面反力和肌电信息；c、使用逆向动力学软件，结合正常人体步行时运动学、动力学数据标准模板中的数据，制作正常人体步行时的肌肉力和关节反力的数据标准模板，并输入至正向动力学软件获得步态周期内的下肢关节角度变化曲线；d、使用正向动力学软件，结合正常人体生理数据标准模板、下肢关节角度变化曲线，制作正常人体动力学仿真分析模板；e、制作患者生理数据标准模板、制作患者步行时运动学、动力学数据标准模板及制作患者步行时的肌肉力和关节反力的生理模型，并构件标准关节置换手术后的生理模型；f、根据患者的标准关节置换手术后的生理模型，结合正常人体动力学仿真分析模板数据，在正常人体生理数据标准模板中寻找与之匹配的数据并提取作为对照者；g、比较患者标准关节置换手术后的生理模型与对照者仿真分析模型在步行时运动学、动力学、肌肉力和关节反力方面的差异，找到患者在步态周期内下肢肌肉中畸形用力的肌肉；h、使用正向动力学软件，结合对照者动力学仿真分析模板数据以及患者生理数据标准模板，计算获得步态周期内的运动学数据；i、在正向动力学软件中，按照临床标准选择目前临床的关节置换类型，替换膝关节处的软骨、半月板，矫正力线、内外翻、内外旋；j、使用正向动力学软件，结合对照者动力学仿真分析模板数据以及标准关节置换手术后的生理模型，计算获得步态周期内的运动学数据；k、将置换后仿真得到的运动学数据与对照者动力学仿真分析模板中的运动学数据进行比较，找出差异，修改人工关节设计，直到得到的运动学数据与对照者的运动学数据匹配，且相关肌肉力无异常，得到符合生物力学受力特征的个性化人工膝关节设计。