CN108814777A - 全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法，在术前将健侧腿部进行数据采集并建模，对患者健侧腿部模型进行有限元受力分析，并在手术过程中对置换完成的膝关节进行数据采集并建模，通过将健侧模型镜像对应到患侧，经高斯‑拉普拉斯金字塔法进行数据分析，判断患侧下肢力线是否处于平衡状态，若处于非平衡状态，通过健侧腿部模型，向医生提示适当的修骨或调节假体位置，最终使得膝关节处于平衡状态。保持该位置不变，进行手术缝合。本发明通过提高手术中膝关节平衡的准确率，对增加患者术后假体的使用寿命，降低术后并发症，提高患者术后生活质量有重要作用。

Description

全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法
技术领域
本发明涉及临床全膝关节置换术领域，尤其涉及全膝关节置换术中有限元分析力线准确确定方法。
背景技术
全膝关节置换术(TKA)使用金属、高分子聚乙烯、陶瓷等材料，根据人体关节的形态、构造及功能制成人工膝关节假体，通过外科技术植入人体内，缓解关节疼痛，纠正关节畸形，恢复关节功能，提高患者生活质量。TKA常用于治疗和改善严重的膝关节疼痛、不稳、畸形，如类风湿性关节炎、膝骨性关节炎，少数创伤性关节炎等疾病，包括截骨和软组织松解两个步骤，最终实现恢复下肢力线、保持软组织平衡，达到膝关节平衡的目的。
若术中截骨不当或假体匹配不精确，会导致力线的不平衡，进一步导致患者疼痛、假体磨损及松动等问题，最终影响患者健康和假体在患者体内留存时间。目前医院常参考多个人体解剖位置来使力线平衡，如使用两踝中点的踝关节中心、髌骨沟中点、髁间切迹、股骨干下端等位置作为下肢力线的参考位置，并结合患者股骨解剖轴经胫骨髁连线形成的F角和胫骨解剖轴经胫骨髁连线形成的T角来确定力线平衡。该方法需结合患者X光片进行测量绘制，且术中患者患侧腿部通常因病变难以准确测量F角和T角，并可能随着人体高矮胖瘦会有所改变，个体差异极大，过程复杂。
有限元分析(FEA)是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。FEA可以有效地模拟人体下肢骨骼的受力情况，符合人体真实站立时骨骼受力。
综上所述，利用有限元分析对TKA中力线平衡性进行确认，可以很好地解决当前临床全膝关节置换中难以确定力线平衡的情况。
发明内容
针对现有技术本发明提供了一种易于操作、准确度高、满足患者个体差异的全膝关节置换术中力线平衡确定方法。
为了解决以上问题，本发明采用了如下技术方案：一种全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法，其特征在于，包括以下内容：
在临床全膝关节置换手术前，对患者健侧下肢骨骼进行三维成像，将所得三维成像数据进行数据处理，并通过软件进行三维建模，对该模型进行有限元分析，选取分析结果的若干位置作为参照；在术中，打开患者膝关节，进行全膝关节置换，在截骨后将假体置于膝关节处，进行三维成像并建模，对该模型进行有限元分析，在患侧有限元分析结果里选取与健侧对应的若干位置，通过判别两侧是否平衡，给出当前力线是否准确结论，根据结论进行调整。
所述三维成像数据，可使用医院CT、MRI等仪器采集到的骨骼三维原始数据，能反映出患者此时下肢骨骼的真实情况。
所述数据处理的方法，是由于在有限元分析中数据量极大，很多软件会自动消除模型上的细小差异，为避免出现因这种消除而造成的医学上的差异，使用高斯-拉普拉斯图像增强算法，增强下肢骨骼表面的差异，减少因软件产生的畸变。将医院采集到的三维成像原始数据，转化为三维分层的点云数据，通过隔层之间建立三角网格化模型形成表面的小单元；对形成的单元面进行高斯-拉普拉斯金字塔处理；高斯-拉普拉斯金字塔法是对图像的处理方法，将第k层的图像进行下采样得到第k+1层的高斯图像，将第k+1层的高斯图像进行上采样并与第k层的图像相减得到第k层的拉普拉斯图像(预测残差图像)；对于第k层图像的第i行第j列的像素点，作如下变换，形成第k+1层图像：
其中，W(m,k)＝W(m)*W(k)是长度为5的卷积核，m为卷积计算过程中的变化值；将得到的高斯图像和拉普拉斯图像叠加内插延展，其延展公式为：
通过这一过程可实现图像的增强，尤其是边缘部分，利于有限元分析的使用。
所述三维建模的方法，是将医院采集到的三维成像原始数据，通过三维建模软件分层叠加，建立模型，最终得到完整的模拟下肢骨骼。
所述有限元分析的方法，是将两侧骨骼的三维模型，通过在有限元分析软件上确定受力点、受力大小及方向，模拟下肢骨骼在当前状态下站立时受力情况，并给出各个位置上的受力大小及方向。
所述平衡的判别方法，是将健侧有限元分析结果镜像到患侧，与术中患侧有限元分析结果相比较，在满足基本无差异的匹配条件时确定其平衡。
基本无差异的平衡判定方法为：对于健侧受力分析结果里的第n个参考点，在该点处受力大小为Fn，在患侧相同位置的第n个参考点，在该点处受力大小为Fn'，选取k个点，对于差值F，当满足
时，认为当前患侧受力与健侧相匹配，可以进行切口缝合；其中，Wn为第n个点受力结果的权重，Fs为可接受的差值阈值。
进行三维建模采用的软件为SolidWorks软件。
全膝关节置换术中力线平衡确定方法，其平衡判别特征在于：在术前对患者健侧腿部骨骼进行建模及有限元分析，便于与术中患侧腿部有限元分析结果匹配比较，术中在植入假体后进行三维建模及有限元分析，调整截骨位置及假体型号、位置，使患侧受力的有限元分析与健侧相匹配，此时认为患侧力线达到平衡。保持该位置不变，进行手术缝合。
本发明易于操作、准确度高、满足患者个体差异的优点，通过提高全膝关节置换手术中力线平衡的准确率，对增加患者术后假体的使用寿命，降低术后并发症，提高患者术后生活质量有重要作用。
附图说明
图1为本发明的系统流程图。
图2为本发明的股骨有限元分析图。
图3为本发明的高斯-拉普拉斯金字塔流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1至3所示，本发明提供一种全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法，包括以下内容：在临床全膝关节置换手术前，对患者健侧下肢骨骼进行三维成像，将所得三维成像数据进行数据处理，并通过SolidWorks软件进行三维建模，对该模型进行有限元分析，选取分析结果的若干位置作为参照；在术中，打开患者膝关节，进行全膝关节置换，在截骨后将假体置于膝关节处，进行三维成像并建模，对该模型进行有限元分析，在患侧有限元分析结果里选取与健侧对应的若干位置，通过判别两侧是否平衡，给出当前力线是否准确结论，根据结论进行调整。
所述三维成像数据，可使用医院CT、MRI等仪器采集到的骨骼三维原始数据，能反映出患者此时下肢骨骼的真实情况。
所述数据处理的方法，是由于在有限元分析中数据量极大，很多软件会自动消除模型上的细小差异，为避免出现因这种消除而造成的医学上的差异，使用高斯-拉普拉斯图像增强算法，增强下肢骨骼表面的差异，减少因软件产生的畸变。将医院采集到的三维成像原始数据，转化为三维分层的点云数据，通过隔层之间建立三角网格化模型形成表面的小单元；对形成的单元面进行高斯-拉普拉斯金字塔处理；高斯-拉普拉斯金字塔法是对图像的处理方法，将第k层的图像进行下采样得到第k+1层的高斯图像，将第k+1层的高斯图像进行上采样并与第k层的图像相减得到第k层的拉普拉斯图像(预测残差图像)；对于第k层图像的第i行第j列的像素点，作如下变换，形成第k+1层图像：
其中，W(m,k)＝W(m)*W(k)是长度为5的卷积核，m为卷积计算过程中的变化值；将得到的高斯图像和拉普拉斯图像叠加内插延展，其延展公式为：
通过这一过程可实现图像的增强，尤其是边缘部分，利于有限元分析的使用。
所述三维建模的方法，是将医院采集到的三维成像原始数据，通过三维建模软件分层叠加，建立模型，最终得到完整的模拟下肢骨骼。
所述有限元分析的方法，是将两侧骨骼的三维模型，通过在有限元分析软件上确定受力点、受力大小及方向，模拟下肢骨骼在当前状态下站立时受力情况，并给出各个位置上的受力大小及方向。
所述平衡的判别方法，是将健侧有限元分析结果镜像到患侧，与术中患侧有限元分析结果相比较，在满足基本无差异的匹配条件时确定其平衡。
基本无差异的平衡判定方法为：对于健侧受力分析结果里的第n个参考点，在该点处受力大小为Fn，在患侧相同位置的第n个参考点，在该点处受力大小为Fn'，选取k个点，对于差值F，当满足
时，认为当前患侧受力与健侧相匹配，可以进行切口缝合；其中，Wn为第n个点受力结果的权重，Fs为可接受的差值阈值。
本发明易于操作、准确度高、满足患者个体差异的优点，通过提高全膝关节置换手术中力线平衡的准确率，对增加患者术后假体的使用寿命，降低术后并发症，提高患者术后生活质量有重要作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法，其特征在于，包括以下内容：在临床全膝关节置换手术前，对患者健侧下肢骨骼进行三维成像，将所得三维成像数据进行数据处理，并通过软件进行三维建模，对该模型进行有限元分析，选取分析结果的若干位置作为参照；在术中，打开患者膝关节，进行全膝关节置换，在截骨后将假体置于膝关节处，进行三维成像并建模，对该模型进行有限元分析，在患侧有限元分析结果里选取与健侧对应的若干位置，通过判别两侧是否平衡，给出当前力线是否准确结论；
所述三维成像数据，使用医院CT、MRI仪器采集到的骨骼三维原始数据，能反映出患者此时下肢骨骼的真实情况；
所述数据处理的方法，使用高斯-拉普拉斯图像增强算法，增强下肢骨骼表面的差异；将医院采集到的三维成像原始数据，转化为三维分层的点云数据，通过隔层之间建立三角网格化模型形成表面的小单元；对形成的单元面进行高斯-拉普拉斯金字塔处理；高斯-拉普拉斯金字塔法是对图像的处理方法，将第k层的图像进行下采样得到第k+1层的高斯图像，将第k+1层的高斯图像进行上采样并与第k层的图像相减得到第k层的拉普拉斯图像；对于第k层图像的第i行第j列的像素点，作如下变换，形成第k+1层图像：
其中，W(m,k)＝W(m)*W(k)是长度为5的卷积核，m为卷积计算过程中的变化值；将得到的高斯图像和拉普拉斯图像叠加内插延展，其延展公式为：
通过这一过程可实现图像的增强，尤其是边缘部分，利于有限元分析的使用；
所述三维建模的方法，是将医院采集到的三维成像原始数据，通过三维建模软件分层叠加，建立模型，最终得到完整的模拟下肢骨骼；
所述有限元分析的方法，是将两侧骨骼的三维模型，通过在有限元分析软件上确定受力点、受力大小及方向，模拟下肢骨骼在当前状态下站立时受力情况，并给出各个位置上的受力大小及方向；
所述平衡的判别方法，是将健侧有限元分析结果镜像到患侧，与术中患侧有限元分析结果相比较，在满足基本无差异的匹配条件时确定其平衡。
2.根据权利要求1所述的全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法，其特征在于，基本无差异的平衡判定方法为：
对于健侧受力分析结果里的第n个参考点，在该点处受力大小为Fn，在患侧相同位置的第n个参考点，在该点处受力大小为Fn'，选取k个点，对于差值F，当满足
时，认为当前患侧受力与健侧相匹配，可以进行切口缝合；其中，Wn为第n个点受力结果的权重，Fs为可接受的差值阈值。
3.根据权利要求1所述的全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法，其特征在于，进行三维建模采用的软件为SolidWorks软件。
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CN110897644A (zh) * 2019-12-06 2020-03-24 南京医科大学 基于生成对抗网络的全膝关节置换术中动态软组织平衡判断方法

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