CN107296651A

CN107296651A - 一种数字化辅助确定股骨远端截骨平面的方法

Info

Publication number: CN107296651A
Application number: CN201710480602.5A
Authority: CN
Inventors: 王素; 杨洋洋; 徐亮; 李凯
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2017-10-27

Abstract

本发明公开了一种数字化辅助确定股骨远端截骨平面的方法，主要包括以下步骤：(1)对患者进行连续断层CT扫描，获得影像数据；(2)通过逆向工程手段得到膝关节假体的三维数据；(3)对股骨和膝关节假体三维数据进行多边形处理和精确曲面处理；(4)在计算机辅助设计软件中进行骨性标志点的标记和校对；(5)确定截骨平面进行截骨预演。本发明的优点有：(1)术前利用数字化手段，确定骨性标志点、轴线、假体型号和截骨平面等，能更好的规划手术路径、设计手术方案；(2)不需要打开髓腔确定截骨面，减小创伤，降低失血量及发生脂肪栓塞的概率；(3)计算机辅助定位，提高定位的准确性，使手术效果更佳，缩短病人恢复的时间。

Description

一种数字化辅助确定股骨远端截骨平面的方法

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，具有鲜明的医工结合特色，具体是一种数字化辅助在全膝关节置换手术前确定股骨远端截骨平面的方法。

背景技术

骨关节炎(osteoarthritis,OA)，又名骨关节病(osteoarthrosis)，是一种常见的风湿性疾病。骨关节炎影响老年患者的行走、上下楼梯及其他下肢功能，部分严重地导致关节功能障碍、关节畸形，甚至导致残疾。

对于严重的骨关节炎患者，最彻底的治疗方法即通过人工膝关节置换术。在传统膝关节置换术中，术者主要通过髓内定位的方式确定截骨平面，这样不仅增加了发生脂肪栓塞和感染的风险，同时也增加了手术时间，增大手术风险。

传统膝关节置换术精度低，只能利用整数倍的角度进行截骨，比如外翻角通常只能取3°到8°的整数角度，外旋角只能取0°，3°和5°进行截骨，对于股骨前弓角较大的情况，容易发生髓腔杆导向错误，甚至无法插入髓腔杆。同时，截骨平面所需骨性标志点完全是按照医生本身经验选取，精度低，导致手术失败率增高。

采用传统方法定位下肢机械轴出现3°以内内外翻的失败率高达30％以上。Stulberg认为这是由传统机械定位器械固有的局限性造成的，术者不能通过手法触摸解剖标志定位截骨获得很高的准确性。

发明内容

有鉴于此，本发明针对上述问题，提出了一种数字化辅助确定股骨远端截骨平面的方法，具体包括如下步骤：

(1)对患者进行连续断层CT扫描，获得影像数据；

(2)将影像数据文件导入到交互式医学图像处理软件Mimics 15.0中，，对图像进行二值化、区域增长和空腔填充处理，分割出股骨蒙板，经三维运算得到股骨三维模型数据；

(3)通过逆向工程手段得到膝关节假体的三维模型数据；

(4)将股骨三维模型和膝关节假体三维模型导入到逆向工程软件Geomagic studio2013中，进行多边形处理和精确曲面处理，得到理想的曲面模型数据；

(5)对患者进行X光检查，获得患者冠状位与矢状位的下肢负重X片，并导入到计算机辅助设计软件AutoCAD 2016中测量相关角度；

(6)将患者股骨远端三维模型导入到计算机辅助设计软件UG(Unigraphics,UG)NX 9.0中，进行骨性标志点的标注，确定股骨机械轴和解剖轴；

(7)在UG NX 9.0中再次测量相关角度，对比步骤(5)中测量的角度，以确定股骨机械轴和解剖轴定位的准确性；

(8)在UG NX 9.0中，通过股骨机械轴在冠状面上的垂线与股骨解剖轴在矢状面上的垂线，找到股骨远端中立位平面；

(9)在UG NX 9.0中测量股骨前后径和左右径，选择相互匹配的膝关节置换假体，测量假体内侧髁厚度，平移股骨远端中立位平面找到股骨远端中立位截骨平面；

(10)将相互匹配的假体三维模型导入到计算机辅助设计软件UG NX 9.0中，以股骨远端中立位截骨平面为基准进行装配，若假体前翼与股骨前皮质面切角大于3°而小于5°时，中立位截骨平面就是最终截骨平面，若假体前翼与股骨前皮质面切角小于3°或大于5°时，需调整角度找到屈曲位截骨平面为最终截骨平面。

(11)确定了股骨远端截骨平面与假体位置后进行其他面的截骨。

步骤(1)中，所述的CT扫描部位为上至股骨远端关节面160mm左右，下至股骨远端关节面50mm左右，扫描仪器是德国西门子公司SOMATOM Definition AS+，所述的CT扫描电压是130KV，扫描电流是300mA，扫描层厚是1mm，扫描层间距是1mm，图像分辨率是512px*512px，所述的影像数据格式为DICOM 3.0(Digital Imaging and Communication inMedicine 3.0,DICOM 3.0)。

步骤(2)中和步骤(3)中，所述的股骨三维模型数据和膝关节假体的三维模型数据是STL格式(Standard Template Library,STL)。

步骤(3)中，所述的膝关节假体采用德国Link公司的保留后交叉韧带、旋转平台型假体Gemini MKⅡ与固定平台型假体Gemini PS，同一型号的假体尺寸完全一致，在术中可使用同一套工具进行操作。

步骤(3)中，所用到的逆向工程器械是德国GOM公司的ATOS Core 200激光三维扫描仪。

步骤(4)中，所述的理想曲面模型数据是STEP(Standard for the Exchange ofProduct，STEP)格式。

步骤(5)和步骤(7)中，所述的相关角度包括股骨外翻角、股骨外侧角、髋膝踝脚和胫骨角。

步骤(6)中，所述的骨性标志点包括外侧髁最低点、内侧髁最低点、外后髁最低、内后髁最低点、外上髁最凸点、内上髁最高凸起下方凹陷的最低点、髌骨滑车沟最低点、髁间窝顶点、股骨远端前皮质切线起点、股骨远端前皮质切线终点、距离关节面120mm处的髓腔中心点和髁间窝顶点正上方10mm处的点。

本发明的有益效果是：

(1)术前CT扫描部位为上至股骨远端关节面160mm左右，下至股骨远端关节面50mm左右，相对于国内外利用股骨全长扫描以确定股骨解剖轴与机械轴的方法，减少了扫描长度，极大地减少了对病人的辐射量；

(2)术前利用数字化手段，确定股骨机械轴、解剖轴、假体型号、截骨平面和假体装配位置等，能更好的规划手术路径、设计手术方案，减少手术时间、降低手术风险；

(3)手术操作过程被大大简化，缩短年轻医师的学习时间，且数字化辅助膝关节三维重建，可为设计适合中国人尺寸的个性化膝关节假体积累数据和模型；

(4)不需要打开髓腔确定截骨面，减小创伤，降低失血量及发生脂肪栓塞的概率，同时也避免了患者骨骼发育异常、骨折畸形愈合或骨折内固定术后等无法进行传统膝关节置换术的问题；

(5)计算机辅助定位，提高定位的准确性，使手术效果更佳，缩短病人恢复的时间。

附图内容

图1是数字化辅助确定股骨远端截骨平面流程图；

图2是假体纵向剖面图；

图3是绘制骨性标志点和轴线示意图；

图4是分步截骨示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明数字化辅助确定股骨远端截骨平面的方法：

1.获得结构完整的股骨三维病理模型：

1.1对患者进行连续断层CT扫描，扫描体位为患者仰卧位并自然平躺，膝关节自然伸直，髌骨指向正上方，防止旋转造成的误差，扫描部位为上至股骨远端关节面160mm左右，下至股骨远端关节面50mm左右；

1.2将获得的DICOM 3.0格式影像文件导入到交互式医学图像处理软件Mimics中，选用骨窗模式进行图像处理，并以无损压缩方式输入，由于骨组织灰度最小值一般都大于1250，而软组织灰度值的最大值一般小于1249，通常设置灰度显示范围为1031到1858，灰度值低于1031的组织将会显示黑色，灰度值高于1858的组织将显示为白色，而灰度值介于1250到1858的组织将会被显示为渐变的灰色；

1.3进行精确的阈值区分，首先选取一个小于骨骼灰度值而大于其他组织的灰度值作为阈值。超过阈值的像素重新赋以一个逻辑值1，作为分割目标,，而低于阈值的像素则赋予逻辑值0，作为背景，对于所采集的截面图像，选择一个灰度值T作为阈值，组成一个新二值黑白图像，将膝关节骨骼从软组织中提取出来，实现图像的二值化处理；

1.4股骨与胫骨在关节面处有较大的粘连，因此需要对蒙板在关节面附近进行手动编辑，分割后再利用区域增长与布尔运算分离出单独的股骨蒙板，并对股骨蒙板进行空腔充填处理，经三维运算得到结构完整的STL格式股骨三维病理模型。

2.通过逆向工程手段得到膝关节假体的三维模型：

2.1选用德国Link公司的保留后交叉韧带、旋转平台型假体Gemini MK Ⅱ与固定平台型假体Gemini PS，同一型号的假体尺寸完全一致，在术中可使用同一套工具进行操作；

2.2选用德国GOM公司的ATOS Core 200激光三维扫描仪对假体进行测量，当假体表面太过反光时，需对假体进行喷涂反差增强剂，研究中使用金红色型钛白粉作为反差增强剂，扫描数据基于自由曲面建模的方法，通过插值或者拟合，生成多边形网格，并以二进制格式导出STL文件。

3.将股骨三维病理模型和膝关节假体三维模型导入到逆向工程软件Geomagic studio2013中，进行多边形处理和精确曲面处理，得到理想的曲面模型STEP数据；

4.对患者进行X光检查，获得患者冠状位与矢状位的下肢负重X片，并导入到计算机辅助设计软件AutoCAD 2016中，测量并记录患者股骨外翻角、股骨外侧角、髋膝踝脚和胫骨角的大小。

5.将患者股骨远端三维模型导入到计算机辅助设计软件UG NX 9.0中，进行骨性标志点的标注，标注的骨性标志点包括：外侧髁最低点、内侧髁最低点、外后髁最低、内后髁最低点、外上髁最凸点、内上髁最高凸起下方凹陷的最低点、髌骨滑车沟最低点、髁间窝顶点、股骨远端前皮质切线起点、股骨远端前皮质切线终点、距离关节面120mm处的髓腔中心点和髁间窝顶点正上方10mm处的点。通过骨性标志点，确定Insall线和Whiteside线，进而确定股骨机械轴和解剖轴。

6.在UG NX 9.0中通过已经确定的股骨机械轴和解剖轴再次测量相关角度，对比步骤4中测量的角度，以确定股骨机械轴和解剖轴定位的准确性。

7.在UG NX 9.0中确定截骨平面：

7.1股骨机械轴在冠状面上的垂线与股骨解剖轴在矢状面上的垂线所构成的平面，为股骨远端中立位平面；

7.2测量股骨前后径和左右径，选择相互匹配的膝关节置换假体，测量假体内侧髁厚度，以此厚度平移股骨远端中立位平面，找到股骨远端中立位截骨平面；

7.3将相互匹配的假体三维模型导入到软件UG NX 9.0中，以股骨远端中立位截骨平面为基准进行装配，若假体前翼与股骨前皮质面切角大于3°而小于5°时，中立位截骨平面就是最终截骨平面，若假体前翼与股骨前皮质面切角小于3°或大于5°时，需调整角度找到屈曲位截骨平面为最终截骨平面。

8.确定了最终股骨远端截骨平面与假体位置后，分别先后利用假体前翼内平面、假体后髁平面、前髁斜平面、后髁斜平面及滑车沟曲面对股骨进行拆分截骨。分别测量外侧髁截骨量、内侧髁截骨量、外后髁截骨量及内后髁截骨量，以外侧髁截骨为例，测量出外测髁最低点到股骨远端截面的垂直距离，以此预估术中的截骨量。

Claims

1.一种数字化辅助在全膝关节置换手术前确定股骨远端截骨平面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对患者进行连续断层CT扫描，获得影像数据；

(3)通过逆向工程手段得到膝关节假体的三维模型数据；

(10)将相互匹配的假体三维模型导入到计算机辅助设计软件UG NX 9.0中，以股骨远端中立位截骨平面为基准进行装配，若假体前翼与股骨前皮质面切角大于3°而小于5°时，中立位截骨平面就是最终截骨平面，若假体前翼与股骨前皮质面切角小于3°或大于5°时，需调整角度找到屈曲位截骨平面为最终截骨平面；

2.根据权利要求1所述的数字化辅助确定股骨远端截骨平面的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的CT扫描部位为上至股骨远端关节面160mm左右，下至股骨远端关节面50mm左右，所述的CT扫描电压是130KV，扫描电流是300mA，扫描层厚是1mm，扫描层间距是1mm，图像分辨率是512px*512px，所述的影像数据格式为DICOM 3.0(Digital Imaging andCommunication in Medicine 3.0,DICOM 3.0)。

3.根据权利要求1所述的数字化辅助确定股骨远端截骨平面的方法，其特征在于，在步骤(2)中和步骤(3)中，所述的股骨三维模型数据和膝关节假体的三维模型数据是STL格式(Standard Template Library,STL)。

4.根据权利要求1所述的数字化辅助确定股骨远端截骨平面的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的膝关节假体采用德国Link公司的保留后交叉韧带、旋转平台型假体GeminiMKⅡ与固定平台型假体Gemini PS，同一型号的假体尺寸完全一致，在术中可使用同一套工具进行操作。

5.根据权利要求1所述的数字化辅助确定股骨远端截骨平面的方法，其特征在于，在步骤(5)和步骤(7)中，所述的相关角度包括股骨外翻角、股骨外侧角、髋膝踝脚和胫骨角。

6.根据权利要求1所述的数字化辅助确定股骨远端截骨平面的方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述的骨性标志点包括外侧髁最低点、内侧髁最低点、外后髁最低、内后髁最低点、外上髁最凸点、内上髁最高凸起下方凹陷的最低点、髌骨滑车沟最低点、髁间窝顶点、股骨远端前皮质切线起点、股骨远端前皮质切线终点、距离关节面120mm处的髓腔中心点和髁间窝顶点正上方10mm处的点。