CN106462659A - 利用韧带附着几何结构自适应迁移在膝关节手术中进行韧带附着的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在膝关节矫形手术中韧带附着期间提供反馈的系统包括成像装置，其提供膝关节的关节面几何数据；位置测量装置，其提供远侧韧带附着部位；应变测量装置，其提供韧带参考应变；驱动系统，其提供用于所述膝关节的规定的运动路径；以及自适应迁移应用程序。所述自适应迁移应用程序接收输入，所述输入包括所述膝关节的关节面几何数据、所述远侧韧带附着部位、所述韧带参考应变和用于所述膝关节的所述规定的运动路径，并产生输出，所述输出包括表示与规定的远侧韧带附着部位相关联的韧带纤维的近侧附着部位的等渗、高渗和低渗点的集合。

Description

利用韧带附着几何结构自适应迁移在膝关节手术中进行韧带 附着的系统和方法

相关共同待审申请的交叉引用

本申请要求于2014年3月19日提交的序列号为61/955,446且题为“利用韧带附着几何结构自适应迁移进行膝关节模拟的系统和方法”的美国临时专利申请的权益，其内容通过引用明确地并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于在膝关节手术中进行韧带附着的系统和方法，且更具体地涉及利用韧带附着几何结构自适应迁移在膝关节手术中进行韧带附着。

背景技术

膝关节是人体内最重要和最强关节中的一种。其被设计成支撑人体的重量并提供在大腿和小腿之间的关节运动。参考图11，人膝关节10提供在大腿的股骨102和小腿的胫骨104和腓骨106之间的铰接。膝关节的骨解剖结构还包括位于膝盖中心的髌骨108。股骨102的远端包括两个凸形上髁，即外上髁126和内上髁127，其与形成在胫骨104近端的两个相应的髁，即外侧髁和内侧髁分别对接和接合。髁和上髁的端面覆盖有关节软骨124且在股骨和胫骨之间存在有被称为半月板122的软骨板。膝关节的骨由一系列的韧带，包括内侧副韧带(MCL)110、外侧副韧带(LCL)112、前交叉韧带(ACL)114、后交叉韧带(PCL)116、髌腱118和股四头肌腱120保持在一起。MCL将股骨的内侧部位连接至胫骨。

LCL将股骨的外侧部位连接至腓骨。ACL从股骨的外上髁的内表面倾斜地延伸至胫骨的前髁并将前者连接至后者。PCL从股骨的内上髁的内表面倾斜地延伸至胫骨的后髁并将前者连接至后者。由髌腱和股四头肌腱将髌骨在膝盖前表面中保持在位。膝盖运动的总范围取决于骨和韧带的特定解剖结构且一般来说该范围允许约120度的屈曲运动。除膝盖的骨和韧带外，还存在有围绕膝盖并提供强度和润滑的关节囊和滑膜液的小囊(即，粘液囊)。韧带和流体囊以及粘液囊被称为膝关节的软组织。

膝盖的骨和韧带的特定解剖结构在动物和人类的成熟期间进化和发育。许多研究人员已报道了在发育的早期过程中在不断变化的负载和负重需求下发生的韧带迁移。Wei等在分析内侧副韧带(MCL)的形态变化和附着迁移的研究中表明：“在发育期间，尽管胫骨骨骺生长了，但MCL仍保持其与膝关节系统的相对位置”。Wei等继续说到：“可以推测，由附韧带介导的骨膜上增加的力学负载可能刺激骨膜细胞通过上述机制分化成破骨细胞。”告诉我们：“如果在不同年龄检测骨，则能看到在骨干上肌肉和韧带的附着占用相对于骨端的相同的相对位置。这一观察结果仅能由骨干上附着的迁移来进行解释，这是因为公知的是骨干不具有间质生长。”Thomopoulos等描述了腱相对于骨附着的形态发育并识别了减缓韧带附着部位发育和迁移的几种力学生物机制和因素。Wang等表明：“迁移部位中最奇特的是MCL，由于其是无弹性的纤维韧带，在线性生长期间看起来从在远侧股骨上的原点处开始即处于沉重且连续的张力下，但其仍设法远离所施加负载的方向而不是朝向该方向进行迁移。”

很显然，在发育阶段过程中，韧带结构适应于发育的骨性结构且可能地，作为所施加的力学负载的结果，骨结构可由发育的韧带结构而实现适应并成形。这种协同成长过程保持了必要的关节活动性，同时在整个发育阶段和变成熟期间提供功能性膝盖系统所必需的必要的关节稳定性。

韧带附着部位的解剖和功能性知识是理解膝盖力学所必需的。最近许多研究都侧重于有助于在韧带重建术和全膝关节置换术中指导外科医生所必需的准确解剖学研究。许多这些研究都侧重于对韧带附着部位的几何结构和邻近的骨标志的量化。这些研究无疑是外科医生的杰出的参考，其试图在不明的手术环境中提供导航。然而，大多数这些研究，甚至最定量的研究都省略了对力学背景的描述，该描述可由对关节面的几何结构的测量而提供。通常，我们发现了韧带附着部位的详细解剖学描述，其附有至邻近骨标志的参考测量。最频繁地，骨标志是外科很感兴趣的，这是因为其在紧邻感兴趣的韧带结构处是可触知或可见的。但通常，这些标志都不是力学的或如果其是，其功能则是关节的主要功能的二级功能或可能本质上是结构性的。邻接关节面的形状构成约束系统，其引导或约束关节的可容许运动(假定没有渗透，这在负载下并不严格如此)。与韧带结构的几何结构相联接的关节接触几何结构协同作用以实现必要的稳定性以及相反地实现关节的活动性。因此，为了从关节面的描述上下文中移除关于韧带的描述，提供了对关节的力学不完整的描述。

在人工全膝关节置换术(TKA)和膝盖韧带重建术中，手术成功的关键是对植入物的准确定位以及准确的韧带附接。这些手术中很大比例均失败了并需要重复，这是因为根据纯解剖数据很难确定对植入物的准确定位以及准确的韧带附接。

在美国公布的申请US 20100234770中描述了一种用于在韧带重建术中获得指示韧带移植物放置位置的数据的系统。该现有技术的系统包括位置确定装置，其能够使用附着至骨的参考体以及具有用于接触两个骨中至少一个的表面以捕获一个或多个参考点的顶端的指针来跟踪两个骨的相对移动。该系统还包括计算机，其被配置成确定和跟踪参考体和指针的术中位置并基于对可变形韧带移植物轨迹的逼真模拟提供用于韧带移植物放置的等距和冲击数据。该系统产生并比较术前和术后图，该图将膝关节松弛表示为屈曲的函数。然而，在许多情况下，膝盖和周围软组织的术前状态已被损害，且因此可能不需要试图复制膝关节的术前状态。

因此，需要一种用于在膝盖手术中模拟韧带附着和附接的方法，该方法在不依靠膝关节的术前状态的情况下提供了准确的韧带附着和附接。

发明内容

本发明涉及一种用于在膝关节手术中韧带附着期间进行膝骨关节和软组织模拟的系统和方法，且更具体地涉及利用韧带附着几何结构自适应迁移进行膝骨关节和软组织模拟。

一般来说，在一个方面中，本发明的特征为一种用于在膝关节矫形手术中韧带附着期间提供反馈的系统，其包括成像装置、位置测量装置、应变测量装置、驱动系统和自适应迁移应用程序。成像装置提供膝关节的关节面几何数据。位置测量装置提供远侧韧带附着部位。应变测量装置提供韧带参考应变。驱动系统提供用于膝关节的规定的运动路径。自适应迁移应用程序被配置成接收输入，所述输入包括膝关节的关节面几何数据、远侧韧带附着部位、韧带参考应变和用于膝关节的规定的运动路径并产生输出，所述输出包括表示与规定的远侧韧带附着部位相关联的韧带纤维的近侧附着部位的等渗、高渗和低渗点的集合。

本发明该方面的实施方案可包括下列特征中的一个或多个。膝关节的关节面几何数据被表示为两个正切相交的圆弧。自适应迁移应用程序通过基于在弯曲弧上的韧带张力矢量的积分迭代地使远侧韧带附着部位适应操作而产生等渗、高渗和低渗点的集合。通过自适应迁移应用程序的连续迭代，韧带张力矢量的积分趋向于为零的限值，且在该限值上，确定在弯曲弧上平衡拉伸应变和压缩应变的远侧韧带附着部位。在两个等渗点之间拉伸的韧带具有贯穿弯曲弧相等的张力。用于膝关节的规定的运动路径包括通过弯曲弧的膝关节的被动运动。用于膝关节的规定的运动路径包括弯曲、内旋、前后位移或内外位移。当膝关节被约束在两个自由度中时，应用用于膝关节的规定的运动路径。基于所施加的应变量定义成本函数并确定在每个韧带中应变诱导张力的方向。在贯穿弯曲弧的每个韧带中沿与诱导张力的作用线相平衡的方向迁移远侧韧带附着部位。

一般来说，在另一个方面中，本发明的特征在于一种用于在膝关节矫形手术中韧带附着期间提供反馈的方法。其包括下列步骤：提供成像装置，其提供膝关节的关节面几何数据。接下来，提供位置测量装置，其提供远侧韧带附着部位。接下来，提供应变测量装置，其提供韧带参考应变。接下来，提供驱动系统，其提供用于膝关节的规定的运动路径。接下来，提供自适应迁移应用程序，该自适应迁移应用程序被配置成接收输入，所述输入包括膝关节的关节面几何数据、远侧韧带附着部位、韧带参考应变和用于膝关节的规定的运动路径并产生输出，所述输出包括表示与规定的远侧韧带附着部位相关联的韧带纤维的近侧附着部位的等渗、高渗和低渗点的集合。

在下面的附图和说明中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。根据下面对具体实施方式、附图和权利要求的描述，本发明的其他特征、目的和优点将变得显而易见。

附图说明

参考附图，其中在全部几个视图中，相同的数字表示相同的部分：

图1为根据本发明的利用韧带附着几何结构的自适应迁移在膝关节手术中进行韧带附着的系统的示意图；

图1A示出在股骨上的ACL和PCL的附着部位；

图1B示出如通过自适应迁移方式确定的在股骨上的深层MCL(dMCL)和浅表MCL(sMCL)附着部位；

图2A和图2B示出在根据文献的PCL附着和内侧间室附着图像上重叠的自适应迁移输出；

图3A示出从后内侧束延伸至前外侧束的PCL附着；

图3B示出通过弯曲弧的在每个纤维中的应变(水平轴线为0-135°)；

图4A示出对胫骨附着部位的位置的敏感性；

图4B示出对外侧髁回滚(即，内旋)的敏感性；

图5A示出对后路几何结构，即半径变化的敏感性，其中脱离假体的材料体的点仅表示几何结构将不会支持这种低渗韧带条件的极端情况；

图5B示出对前路几何结构，即半径变化的敏感性；

图6A示出对过渡角变化的敏感性；

图6B示出自适应路径，其中ACL和PCL开始于任意点A，该点A会聚至产生接近等渗纤维的最终附着点。

图7示出覆盖在解剖的ACL附着印迹上的ACL附着部位；

图8示出浅表MCL 82和深层MCL(半月板股骨组件)84；

图9示出根据Robinson 72、LaPrade 74和Fang 76的MCL附着部位；

图10A示出如由自适应迁移确定的外侧副韧带(LCL)附着部位62和前外侧韧带附着(ALL)部位64；

图10B示出对几个变量的探索，该变量可用于使自适应迁移响应外部影响而成形，所述外部影响如在负载下的胫前平移以及在被动运动下的外侧髁的回滚；以及

图11为膝盖解剖结构的示意图。

具体实施方式

在韧带重建术中，外科医生尝试确定和定位将产生最佳等距的胫骨和股骨点。当在原始配置中在两个点之间的距离与在转换配置中其相应图像之间的距离相等时，存在有等距。在韧带重建术中，等距包括用置换韧带置换所切除的韧带，以使得通过正常的不受限制的运动弧不会发生长度变化。一般来说，假定需要在韧带重建术中使等距最大化。然而，该方法并不总会产生成功的韧带重建，这是因为初始配置可能不是最佳的且因为在膝关节中不存在真正等距的点。

本发明提供了一种利用韧带附着几何结构自适应迁移来提供改进的韧带重建的系统和方法。本方法的关键假设包括以下：

1)假定在胫骨和股骨之间相接触的天然被动关节运动，在两个本体上不存在有被归类为贯穿弯曲弧的真正不等距的点对。

2)假定在其中一个关节组件上的点，可在相邻的组件上选择第二个点，该第二个点使贯穿弯曲弧的在两个点之间的分离距离的变化最小化。这种点的集合被称为“接近等渗的”，这表示在这种点之间拉伸的纤维在给定的约束和接触的几何结构下具有对贯穿弯曲弧的相等张力的最接近的近似值。

3)可发现接近等渗的点的集合，如果由纤维跨越该集合，平均而言，其则在弯曲弧上具有比上述标称等渗纤维更大或更小的张力(分别为高渗或低渗的)。

4)当通过被动弯曲弧来规定运动时，天然韧带纤维的附着部位可由等渗、高渗和低渗点的类集来表示。

5)如果选择了最远侧的点来表示在远侧韧带附着印迹内的一个点且同时使用自适应迁移优化方式发现了近侧点，这种接近等渗、高渗和低渗点的集合则接近地描述了在天然膝盖中的标称韧带附着部位。

自适应迁移方式包括通过规定的运动路径(其中规定了弯曲、内旋、前后位移和内外侧运动)训练膝关节的几何模型，其同时由接触的几何结构约束在两个自由度中(外展、内收和关节压缩牵张)。规定的运动路径表示通过弯曲弧的膝盖的被动运动。正常的膝盖弯曲弧从0°延伸至135°至145°。定义基于应变量的成本函数且在每个计算步骤中确定在每个元素中的应变诱导张力的作用方向。沿与在贯穿弯曲弧韧带张力的作用线相平衡的方向迁移韧带附着部位。

该附着部位的自适应迁移发挥作用，以使得在弯曲弧上的应力积分通过计算的连续迭代而趋向于零。在该限值内，确定在规定的弯曲弧上最佳地平衡拉伸应变和压缩应变的附着部位。由于可能需要表示生理状况，可调整元素参考应变以产生初始为松弛或初始为紧张的元素。

在一个实例中，假定被动运动包括通过弯曲弧的最小应变。在另一个实例中，考虑更复杂的成本函数，作为韧带张力的结果其平衡了平衡纤维以平衡越过关节发挥作用的力和力矩。当关节在韧带发挥限制运动的的作用的情况下达到运动范围的限值时，可能有平衡应变成本的例外情况。如之后将看到的，很容易适应后一种情况，如在需要高渗纤维的过伸的PCL的情况下。

参照图1，根据本发明，利用韧带附着几何结构的自适应迁移进行膝关节模拟的系统100包括计算机140，其设有自适应迁移应用程序150、输入130和输出160。对自适应迁移优化的输入130包括：

○关节面的几何结构132

●髁的几何结构

●胫骨平台几何结构

○远侧韧带附着部位134

○韧带参考应变136

○规定的运动路径138

●弯曲弧

●前向后平移

●内外旋转

源于自适应迁移最优化的输出160包括：

○表示与规定的远侧韧带附着部位162相关联的韧带纤维的最接近侧(股骨)附着部位的接近等渗、高渗和低渗点的集合。

由成像装置，如X射线、MRI、CT装置提供膝关节关节面的几何数据。由位置测量装置提供远侧韧带附着部位。位置测量装置可以是光学、声学、超声、视频、力学、电磁、形状识别算法或基于射频的发射器/检测器系统。在一个实例中，位置测量装置为购自加拿大安大略省的北方数字公司的北极星系统。由应变测量装置，如应变计、光学或磁性装置提供韧带参考应变。由驱动系统或特定协议提供用于膝关节的规定的运动路径。

在一个实例中，MATLAB^TM实施基于上述方法的自适应迁移应用程序150。该模型是准三维的(3D)，这是因为其定义了独立的内侧和外侧髁的几何结构并考虑了绕弯曲轴线、轴线轴的旋转(内外旋转)。在该实例中，忽略了外展、内收和内外侧运动。髁几何结构中的每一个均被表示为两个正切相交的圆弧。

通过基于在弯曲弧上的韧带张力(或压缩)矢量的积分迭代地适应附着部位几何结构而开发出简单的迭代解决方案。后续迭代的结果被用作连续迭代的附着位置。当所产生的附着位置的变化(作为附着位置矢量的欧几里德范数计算的)变得足够小时，停止该程序。迭代计算的输出是对韧带的最接近侧附着部位的估计。

图1A和图1B示出源于该模拟实例的输出。图1A示出如由自适应迁移方法确定的在股骨上的ACL和PCL韧带附着部位。图1B示出如由自适应迁移方法确定的在股骨上的深层MCL(dMCL)和浅表MCL(sMCL)的韧带附着部位。图1A示出由两个圆构成的外侧几何结构，其中后圆的半径50为21mm且前远侧圆的半径60为36mm。这些被Pinskerova称为弯曲面(FF)和延伸面(EF)。虽然事实是PCL附接至内侧髁的髁窝的壁，但我们仍选择用于PCL的外侧几何结构，这是因为外侧几何结构最强地有助于实现通过弯曲弧的在前后向(AP)和内-外侧(IE)中的已知运动。Pinskerova通过一系列在尸体和活体对象中的磁共振成像(MRI)的研究证明在内侧髁上的后圆中心通过弯曲弧以无法察觉的方式进行移动，而在外侧上的后圆中心则向后平移几乎20mm，这主要是由胫骨轴的内旋导致的。在图1A中还示出了ACL附着部位。ACL和PCL附着的相对位置在几何学上非常类似于可通过相应的天然韧带附着印迹的质心画线而确定的那些位置。应注意，该系统的系列PCL圆40表示接近等渗的附着位点家族，对于PCL而言，其范围是从左侧(后部)上的高渗至右侧(前部)上的低渗。

图1B示出用于浅表和深层内侧副韧带(sMCL和dMCL，股骨-半月板部分)的结果。sMCL附着被示为标记52，而dMCL则被示为标记54。在该附图中，圆形几何结构表示具有半径为21mm的后圆56以及半径为32mm的前远侧圆58的内侧几何结构。

图2A和图2B描绘分别在PCL附着和内侧间室附着图像上重叠的图1A和图1的自适应模拟输出。我们观测到在用于确定附着几何结构和根据文献中报道的附着几何结构的自适应迁移方式的输出之间的强制的相似性。应注意，该视觉比较具有许多缺点。由于透视和查看角度，在图2A中示出的特写图(Amis提供的)具有缩放比例和失真的潜在问题，而图2B中示出由LaPrade提供的医疗图并不是具有定尺寸的图且可能反映艺术家所强调的重点而不是附着部位的精确定位。

图3A和图3B示出一系列发展的初始应变连续减少的附着部位。将附着部位按两组进行组织编组，其示出后内侧束和前外侧束。特别地，图3A示出从后内侧束延伸至前外侧束的PCL附着。图3B示出通过弯曲弧的在每个纤维内的应变。在图3A中所示，所有纤维均起源于单个附着部位92。水平轴线示出从0°至135°的弧。曲线90描绘了在完全延伸(0°的弯曲)时应变为4％的最后部的纤维。用于最后部的纤维的应变从4％的参考应变增加至在15°弯曲弧的约6％。这一点标记随着接触从较大直径的前圆(EF)向较小直径的后圆(FF)转移时的转换。每个图系列均表示不同的初始参考应变。在图3A的图上从左侧移向右侧(从后部移向前部)的连续纤维附着表示所发现的用于减少参考应变的条件的附着部位。随着膝盖从完全延伸到弯曲至135°的弯曲，所产生的纤维集合具有从后部向前部前进的补充序列。

提供以下情况而不进行详细分析，但是这些情况是用于指示自适应迁移分析对几种不同变量的敏感性的。

图4A描绘对胫骨附着部位的位置的敏感性且图4B示出对外侧回滚(即，内旋)的敏感性。图4A示出用所选的(-25,-30)、(-30,-35)、(-20,-25)、(-20,-25)mm的坐标修改远侧附着部位的位置92的结果。任意选择这些位置92以在(-25,-30)指定的典型附着部位的周围进行聚集。在该10mm图像块中选定的远侧附着对在股骨上发现的所产生的接近等渗、低渗和高渗附着部位的位置具有相对较小的影响。通过改变远侧附着部位所带来的最显著的变化是等渗线簇的斜率变化。而且在极端的初始韧带为松弛的情况下，看到了该线的显著延伸。

图4B示出具有在0、8mm、16mm处指定的不同外侧“回滚”的三种情况。与每种回滚情况相应的附着部位均位于从左侧至右侧进行布置的线簇中。所产生的附着部位簇的印迹保持线簇，其具有表示几种“回滚”情况的平行线。在探测范围上，附着的图像块示出对回滚条件的中度敏感性。

图5A和图5B示出对髁几何结构变化的敏感性。特别地，图5A示出对后面的几何结构，即半径变化的敏感性且图5B示出对前面的几何结构，即半径变化的敏感性。在图5A中，选择为19、21和26mm的半径以用于后圆(FF)，且在图5B中，选择为30、36和40mm的半径以用于前远侧圆。根据Pinskerova的报道，这些半径跨越半径的极端。在附着簇的总范围方面，髁的几何结构似乎具有相当大的影响。

另一个几何特征是过渡角，其指定后圆与前远侧圆正切相交处。图6A示出对过渡角变化的敏感性且图6B示出自适应路径，其中ACL和PCL开始于任意点A，该点A收敛至产生接近等渗纤维的最终附着点。图6A示出用于5°、15°、25°、35°的过渡角的结果。该角度的变化表现出对附着部位簇的非常小的影响。可能的情况是，如果将更极端的半径用于后和前圆几何结构，该变量则会发挥更大的作用。图6B示出PCL和ACL附着部位的迁移。用于这两种ACL和PCL的初始迭代位于任意点A处。通过每一次的迭代，附着部位向在B和C(分别用于ACL和PCL)处的最终接近等渗点迁移。

图7示出覆盖在解剖的ACL附着印迹上的ACL附着部位。标记为1的簇段表示所发现的用于被动膝盖运动的韧带部位，且标记为2的簇段表示通过弯曲弧的在前部加载的膝盖。自适应迁移方法已经扩展到包括额外的特征，以确定在关节负载而非仅仅是被动弯曲的条件下将发现的部位。文献指出我们在从股四头肌负载的情况下可预计出关节的5至10mm的前向平移。由2指示的纤维是将胫骨贯穿整个弯曲弧向前移动8mm而进行发展的。

显然地，韧带是有限的可变形连续介质，很可能性质上是相当不可压缩的介质。明显地，用离散的极小量非互动纤维进行的表示是对韧带元素的相当粗略的概算。尽管通过某种方式的有限元方式对这种结构进行的建模是有趣的，其仍超过了当前的工作范围。然而，无疑可以实施一阶几何模型，其包括在已知几何形状上的包裹纤维。另一种方式可能是要提供表示终结的几何结构的一阶效应的基于弯曲角的应变。

如已经示出的，被动弯曲仅揭示了图的一部分。韧带显然是承受负载元素，正因如此，附着几何结构将发展为满足那些承受负载的需要。我们将前向位移(由前向负载所致)添加至ACL的发展且其结果是显著的。负重和关节压缩可发挥显著的作用。体重会使关节压缩1至2mm。

MCL中的最大部分位于靠近部位自适应迁移发现的地方。随着膝盖弯曲，MCL的近侧前部纤维必须绕MCL的大部分进行包裹，这使得其有效的附着更接近于下边界。图8示出包括扭结模型以概算浅表MCL82对于通过弯曲弧绕其本身进行包裹的必要性的结果。项目84示出深层MCL半月板股骨组件。将扭结建模为栓钉，其具有距离韧带纤维必须包裹的近侧附着部位的固定距离。栓钉从附着部位的距离将小于附着区域的最大尺寸，但在不对局部材料变形进行更详细的分析的情况下却不可能制定更好的概算。

计算出的结果重叠在从文献提取的膝盖骨表面的照片和艺术图上。图9示出根据Robinson 72、LaPrade 74和Fang 76的MCL附着部位。几何结构的表示显示出文献的重大变化，且没有来源声称图像是几何准确的。

图10A示出如由自适应迁移确定的外侧副韧带(LCL)附着部位62和前外侧韧带附着(ALL)部位64。圆62的两个簇表示在两种前向位移(0和4mm的位移)条件下的LCL，而圆64则指示前外侧附着。在该图中示出的附着区域中很好地表示了LCL。前外侧附着不同于文献报道，这是因为其稍位于LCL附着的近侧而非稍位于其远侧。然而，据说ALL是大约在与LCL相同的位置上进行附着的，这是自适应迁移方式的发现。图10B示出对几个变量的探索，该变量可用于使自适应迁移对外部影响，如在负载下的胫前平移以及在被动运动下的外侧髁的回滚的响应成形。

应用领域

膝盖建模和研究

许多研究人员已开发出结合韧带的线元表示的膝盖模型。这是用于关节建模以提供一种改进对关节系统的力学的理解和可视化的工具的有吸引力的方式。一般来说，该方式要求基于在膝盖解剖期间进行的测量定义韧带附着几何结构和关节接触的几何结构。一旦形成基本几何结构，则进一步告知计算模型有关用于线元纤维的材料刚度特性。随后，所需要的所有事情是估计在某个参考姿态下的韧带应变的状态。这是通过提供定义在选定参考姿态下的元素中张力的韧带纤维的参考应变或参考长度而实现的。然而，在已知姿态下完成应变的绝对测量提出了挑战，因此已采用各种间接方式以估计参考姿态下的应变状态。经常采用一种优化方式，其包括通过规定的运动路径训练该模型且同时确定在每个韧带元素中发展的应变。然后，调整参考应变以使用优化搜索算法寻求贯穿规定的运动路径的应变能量最小值。

该常规方式具有几个不足。首先，附着部位的选择虽然是基于明显的几何结构，但无论多么准确，其顶多是任意的。附着部位的选择可基于位于附着印迹的质心处的单个点或也许基于在跨越原则尺寸的印迹边缘上的多个点。但假定该模型利用了韧带元的简化表示，那么将其附着部位约束为天然附着部位的几何结构则不必然是用于模型附着几何结构的最佳选择。这个事实是由常常在某些姿态下导致无法想象得大的应变的应变能量优化方式的结果证实的。

较新的模型已将韧带材料精细地划分为大量宏纤维以更好地代表附着的几何结构。但在所有情况下，试图用有限系列的简单非交互的几何结构的元素对有着自己复杂行为的连续高度可变形的材料进行建模。没有有力的证据证明可在天然元素印迹的界限内对这种简单线元进行最好的选择。

由于几何相似性的原因，基于天然韧带印迹的几何结构进行的纤维附着部位的选择是强制的；然而，这是有欺骗性的。我们知道我们的有限纤维模型是对膝盖的真正复杂性的粗略概算。已因天然系统进化和发育的附着部位不必然是对我们简化模型的最佳附着部位的选择。自适应迁移方式借用广泛用于流体建模中的概念；即相似性的概念。由于许多重要的流体特性不与尺寸成线性缩放，因此简单的几何缩放无法用于流体建模。在流体建模中，使用相似性的概念克服这种困难。我们使用自适应迁移方式的目标是在我们的简化模型和天然系统之间建立结构的相似性。我们知道由有限数量的有限纤维表示的韧带将不会完全表现得像由连续材料构成的天然韧带那样，但我们仍试图找到将最好地表征天然系统的结构和力学特性的附着部位。要做到这一点，我们利用我们的自适应迁移方式以基于一些简单的规则和假设找到最好地表示系统的力学功能的附着部位。我们的目标当然是产生由关节面几何结构和有限数量的韧带纤维组成的模型，该韧带纤维“最佳”地表示了天然(或植入)膝盖的力学和运动学。

手术中计算机辅助导航

人们在该行业中有兴趣开发出对膝盖的骨和韧带几何结构的可缩放表示以用于TKR规划和计算机导航的手术中。已使用统计方式并获得有限的成功。自适应迁移的概念为围绕功能力学标准而非统计方法的韧带缩放提供了基础。与其他导航和成像技术相联接，自适应迁移的概念在促进对生物力学和功能的理解上实现了增值。

TKR设计

如果我们已实现在我们的模型和天然膝盖之间的结构相似性，那么评估TKR设计的任务则变得几乎微不足道。我们只不过需要将TKR髁面几何结构替换为天然膝盖模型并通过所需的运动和动力路径训练模型来评估性能。此外，我们可以重新评估附着部位的几何结构以确定所需的变化，以在适当的位置建立与TKR几何结构的相似性。

手术韧带平衡

在全膝关节置换术期间，经常需要进行韧带平衡以实现合理的运动性能。我们的方法直接解决平衡问题。我们可以基于给定的特定远侧附着部位信息的假体几何结构确定最佳附着部位。

TKR测试和评估

我们的直接应用领域是植入物的测试领域。在这个领域中，需要能够在模拟健康和患病的天然膝盖的结构特性的环境中测试TKR硬件。已开发出我们的Vivo控制系统以结合韧带附着部位信息和韧带力学特性，如将由自适应迁移过程输出的那些。然后，由Vivo控制器使用该数据以产生要在其中测试TKR装置的虚拟环境。自适应迁移过程使我们能够轻松地产生表示手术结果的谱图的各种术后韧带状态。

患者特定的TKR

自适应迁移的概念还允许我们开发非最佳模型，如由于骨病变而导致的韧带挛缩的效果。事实上，这可能是用于在给定的源于MRI或CT的输入下估计术前挛缩的程度以量化退化的骨结构的一种很好的方式。在患者特定的植入物的区域中，力学表示患者病理学的能力将是特别重要的。

手术指令和教育

另一个应用领域为用于手术和力学教育。这个概念迅速和令人信服地证明了关节的韧带结构和骨几何结构的交互。三维可视化将具有清晰度的另一元素添加至系统。

韧带重建术

自适应迁移的概念具有至韧带重建术的直接应用，这是因为可基于患者的关节几何结构确定用于置换韧带材料或移植物的理想的附着部位。ACL的重建是当今在美国最常见的矫形程序中的一种。MCL重建也是相当常见的，同时PCL重建则正收获频繁使用性。在所有这些情况下，自适应迁移方法洞察到用于置换韧带材料的最佳位置。

自适应迁移的概念适用于人体所有的关节且可用于兽医重建手术的应用中。

综上所述，自适应韧带迁移是强制性的。这些概念验证的结果表明自适应迁移是用于将韧带几何结构缩放成骨几何结构的有吸收力的方式。所需要的输入为：1)表示接触的关节面的精确的几何结构，2)表示远侧(胫骨)附着部位的合理的几何结构，3)被动的运动路径。

已描述了本发明的几个实施例。然而，将理解的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可作出各种修改。因此，其他实施例处于下列权利要求的范围中。

Claims (20)

1.一种用于在膝关节矫形手术中韧带附着期间提供反馈的系统，其包括：

成像装置，其提供膝关节的关节面几何数据；位置测量装置，其提供远侧韧带附着部位；应变测量装置，其提供韧带参考应变；驱动系统，其提供用于所述膝关节的规定的运动路径；以及自适应迁移应用程序，所述自适应迁移应用程序被配置成接收输入，所述输入包括所述膝关节的关节面几何数据、所述远侧韧带附着部位、所述韧带参考应变和用于所述膝关节的所述规定的运动路径，并产生输出，所述输出包括表示与规定的远侧韧带附着部位相关联的韧带纤维的近侧附着部位的等渗、高渗和低渗点的集合。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述膝关节的关节面几何数据被表示为两个正切相交的圆弧。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述自适应迁移应用程序通过基于在弯曲弧上的韧带张力矢量的积分迭代地适应所述远侧韧带附着部位而产生等渗、高渗和低渗点的所述集合。

4.根据权利要求3所述的系统，其中通过所述自适应迁移应用程序的连续迭代，所述韧带张力矢量的所述积分趋向于为零的限值，且其中在所述限值上，确定在所述弯曲弧上平衡拉伸应变和压缩应变的远侧韧带附着部位。

5.根据权利要求3所述的系统，其中在两个等渗点之间拉伸的韧带具有贯穿所述弯曲弧的相等的张力。

6.根据权利要求1所述的系统，其中用于所述膝关节的所述规定的运动路径包括通过弯曲弧的所述膝关节的被动运动。

7.根据权利要求1所述的系统，其中用于所述膝关节的所述规定的运动路径包括弯曲、内旋、前后位移或内外位移中的一者。

8.根据权利要求1所述的系统，其中当所述膝关节被约束在两个自由度中时，应用用于所述膝关节的所述规定的运动路径。

9.根据权利要求1所述的系统，其中基于所施加的应变量定义成本函数并确定在每个韧带中应变诱导张力的方向。

10.根据权利要求9所述的系统，其中在贯穿弯曲弧的每个韧带中沿与所述诱导张力的作用线相平衡的方向迁移所述远侧韧带附着部位。

11.一种用于在膝关节矫形手术中韧带附着期间提供反馈的方法，其包括：

提供成像装置，其提供膝关节的关节面几何数据；

提供位置测量装置，其提供远侧韧带附着部位；

提供应变测量装置，其提供韧带参考应变；

提供驱动系统，其提供用于所述膝关节的规定的运动路径；

提供自适应迁移应用程序，所述自适应迁移应用程序被配置成接收输入，所述输入包括所述膝关节的关节面几何数据、所述远侧韧带附着部位、所述韧带参考应变和用于所述膝关节的所述规定的运动路径，并产生输出，所述输出包括表示与规定的远侧韧带附着部位相关联的韧带纤维的近侧附着部位的等渗、高渗和低渗点的集合。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述膝关节的关节面几何数据被表示为两个正切相交的圆弧。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述自适应迁移应用程序通过基于在弯曲弧上的韧带张力矢量的积分迭代地适应所述远侧韧带附着部位而产生等渗、高渗和低渗点的所述集合。

14.根据权利要求13所述的方法，其中通过所述自适应迁移应用程序的连续迭代，所述韧带张力矢量的所述积分趋向于为零的限值，且其中在所述限值上，确定在所述弯曲弧上平衡拉伸应变和压缩应变的远侧韧带附着部位。

15.根据权利要求13所述的方法，其中在两个等渗点之间拉伸的韧带具有贯穿所述弯曲弧的相等的张力。

16.根据权利要求11所述的方法，其中用于所述膝关节的所述规定的运动路径包括通过弯曲弧的所述膝关节的被动运动。

17.根据权利要求11所述的方法，其中用于所述膝关节的所述规定的运动路径包括弯曲、内旋、前后位移或内外位移中的一者。

18.根据权利要求11所述的方法，其中当所述膝关节被约束在两个自由度中时，应用用于所述膝关节的所述规定的运动路径。

19.根据权利要求11所述的方法，其中基于所施加的应变量定义成本函数并确定在每个韧带中应变诱导张力的方向。

20.根据权利要求19所述的方法，其中在贯穿弯曲弧的每个韧带中沿与所述诱导张力的作用线相平衡的方向迁移所述远侧韧带附着部位。