CN111297478A - 一种膝关节翻修手术的术前规划方法 - Google Patents

一种膝关节翻修手术的术前规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种膝关节翻修手术的术前规划方法，包括以下步骤：根据患者的CT等影像数据，重建患者下肢三维模型；镜像健侧的三维模型，并于患侧模型进行配准；根据匹配后的健侧镜像模型和患侧模型，确定患侧骨缺损形状和尺寸大小；对健侧镜像模型进行模拟截骨，确定截骨位置，并同时确定了患侧模型需要截骨的位置和尺寸，根据患侧截骨位置和尺寸，确定处理骨缺损时应使用的垫块型号和尺寸；模拟膝关节假体安装，并确定偏心距。本发明实现了快速有效的确定关节假体中心的正确位置、确定下肢关节力线以及修复骨缺损问题，降低了手术的难度，缩短手术时间。

Description

一种膝关节翻修手术的术前规划方法
技术领域
本发明属于计算机辅助设计技术领域，尤其是一种膝关节翻修手术的术前规划方法。
背景技术
近年来，随着社会经济的飞速发展、科学技术水平的不断提高，致使人们对生活质量的要求越来越高，从而导致全膝关节置换手术(total knee arthroplasty,TKA)的数量不断增加。美国骨科医师学会(American academy of othopaedic surgeons,AAOS)曾预测，在2005-2030年，因各种原因导致的全球膝关节置换翻修术病例数将增加6倍。虽然全膝关节置换术以其良好的中期效果赢得了广大医生和患者的认可，但是随着时间的推移，无菌性松动(29.8％)，感染性松动(14.8％)，疼痛(9.5％)，磨损(8.2％)及其他并发症导致初次关节置换失败，需要进行全膝关节翻修术(Revision of total knee arthroplasty，RTKA)。随着中国进入人口老龄化社会和TKA患者趋于年轻化，TKA失败后进行翻修具有相当必要性，在未来RTKA的数量也会逐渐增加。
全膝关节翻修术是重建关节结构，恢复关节功能的有效方法之一。在RTKA中不容忽视的一个问题是由松动、感染、医疗操作等引起的骨缺损。随着RTKA的数量不断增长，关于RTKA中处理骨缺损的报道也越来越多。骨缺损的原因有以下几点：初次置换失败、骨溶解、慢性感染、假体松动引起的机械性骨丢失以及医疗操作等。
翻修手术中遇到骨缺损的处理包括：骨水泥填充，骨水泥联合螺钉加强，金属加强，颗粒或结构植骨等。关于骨缺损处理的研究不仅仅在于传统的骨水泥，植骨等方法，还有基于新的理念所开发出的金属垫块、3D打印等方法。在临床上，应当根据具体情况，采用合适的方法治疗，重建关节力线，恢复关节功能。在RTKA中，患者的假体选择，下肢关节力线的确定，关节中心点位置的确定等，对手术效果十分重要。
在手术时，手术操作人员都需要花费大量时间用来处理骨缺损情况，对于使用金属垫块来做膝关节翻修的手术，医生在术中需要不断的调整垫块和假体的型号、尺寸，从而才能选择与骨缺损最匹配的垫块和假体。确定好假体和垫块后，医生还需要调整假体的偏心距，以保证关节假体的正确位置、下肢力线情况和关节功能。
因此，在RTKA中，如何才能实现，快速有效的修复骨缺损问题、确定关节假体中心的正确位置、确定下肢关节力线、降低手术的难度、缩短手术时间至关重要。
综上所述，开发出一种全膝关节翻修手术的术前规划辅助系统及方法用来增加手术精准度、降低手术难度、缩短手术时间，对需要膝关节翻修病人及对我国的卫生事业发展、对建设创新性国家都有重要的现实意义。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种膝关节翻修手术的术前规划方法，实现了快速有效的确定关节假体中心的正确位置、确定下肢关节力线以及修复骨缺损问题，降低了手术的难度，缩短手术时间。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种膝关节翻修手术的术前规划方法，包括以下步骤：
步骤1：获取膝关节翻修手术患者的双下肢全长的CT薄层扫描影像数据，所述影像数据包括健侧下肢影像数据和患侧下肢影像数据，根据前述影像数据在计算机软件中重建患者的双下肢三维模型，所述双下肢三维模型包括健侧下肢三维模型和患侧下肢三维模型；
步骤2：将健侧下肢三维模型转换为镜像健侧下肢三维模型，并将镜像健侧下肢三维模型的股骨、胫骨分别与患侧下肢三维模型的股骨、胫骨通过N点配准进行配准，即将镜像健侧下肢三维模型上股骨的n个特征点与患侧下肢三维模型上股骨的n个特征点进行配准对齐，将镜像健侧下肢三维模型上胫骨的n个特征点与患侧下肢三维模型上胫骨的n个特征点进行配准对齐，获得配准三维模型；
步骤3：根据配准三维模型，调节镜像健侧下肢三维模型的透明度，观察患侧下肢三维模型上的骨缺损情况，确定患侧下肢的骨缺损区域的缺损范围及其缺损尺寸；
步骤4：对镜像健侧下肢三维模型进行模拟截骨，确定截骨位置，即确定了患侧下肢的截骨位置和尺寸，根据截骨位置和尺寸来确定术中处理骨缺损时使用的垫块型号和尺寸，并生成垫块、假体的三维模型；
步骤5：在患侧下肢三维模型中模拟膝关节假体安装，并根据患侧下肢三维模型髓腔的直径，确定髓针的型号，根据患侧下肢三维模型髓腔的方向，确定髓针的偏心距离，并生成髓针的三维模型；
步骤6：在患侧下肢三维模型中模拟安装垫块、假体和髓针的三维模型，画出患侧下肢三维模型的下肢力线，并观察膝关节假体模型的位置是否正确。
进一步的，本发明的膝关节翻修手术的术前规划方法，步骤1中的影像数据包括股骨全长和胫腓骨全长。
进一步的，本发明的膝关节翻修手术的术前规划方法，步骤1中的影像数据的格式为Dicom，图像层厚≤1mm。
进一步的，本发明的膝关节翻修手术的术前规划方法，步骤4中的假体三维模型存储为STL格式。
进一步的，本发明的膝关节翻修手术的术前规划方法，步骤4中的模拟截骨按照初次膝关节置换的形式进行，确定股骨远端截骨面，并模拟膝关节股骨髁假体和胫骨平台假体的安装，确定膝关节假体的位置。
进一步的，本发明的膝关节翻修手术的术前规划方法，步骤4中确定垫块型号和尺寸的具体步骤为：测量股骨髁处骨缺损区域到股骨假体模型的距离，测量胫骨平台骨缺损区域到胫骨平台假体模型的距离，根据测量的距离数值大小，确定术中所需的垫块尺寸，并根据股骨髁缺损形状和胫骨平台缺损形状，确定股骨端垫块和胫骨端垫块的形状。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明的膝关节翻修手术的术前规划方法，实现了快速有效的确定关节假体中心的正确位置、确定下肢关节力线以及修复骨缺损问题，降低了手术的难度，缩短手术时间。
附图说明
图1是一种膝关节翻修手术的术前规划方法流程图。
图2是患者下肢模型三维重建效果图。图2-①为健侧股骨三维模型，图2-②为健侧胫骨三维模型，图2-③为健侧腓骨三维模型，图2-④为患侧股骨三维模型，图2-⑤为患侧胫骨三维模型，图2-⑥为患侧腓骨三维模型。
图3是健侧三维模型镜像后效果图。图3-①健侧股骨镜像模型，图3-②健侧胫骨镜像模型。
图4是患侧股骨与健侧股骨镜像模型配准效果图。图4-A是配准后的前视图，图4-B是配准后的左视图。
图5是健侧股骨镜像模型模拟术中截骨和安放股骨髁假体安放效果图。图5-A是前视图，图5-B是左视图。图5-①是截骨后的健侧股骨镜像模型，图5-②是股骨髁假体模型。
图6是患侧股骨缺损效果图。图6-A是前视图，图6-B是左视图。图6-a即为患侧股骨的缺损区域，图6-①为患侧股骨模型。
图7是患侧股骨模型与股骨髁假体和垫块模拟安装效果图。图7-A为患侧股骨模型与股骨髁假体和垫块模拟安装效果图的斜视图，图7-B为患侧股骨模型与股骨髁假体和垫块模拟安装效果图的左视图，图7-①为左侧股骨左侧后髁10mm垫块，图7-②为左侧股骨左侧远端10mm垫块，图7-③为左侧股骨左侧后髁5mm垫块，图7-④为股骨髁假体模型。
图8是患侧股骨和股骨髓针安装效果图。图8-①为患侧股骨髓腔，8-②为股骨髓针。
图9是最终确定的股骨髁、垫块、髓针安装效果图。图9-①为股骨髓针，图9-②为股骨远端10mm垫块，图9-③为股骨后髁5mm垫块，图9-④为股骨髁假体，图9-⑤为股骨后髁10mm垫块。
图10是患侧胫骨三维模型。图10-A为患侧胫骨三维模型的主视图，图10-B为患侧胫骨三维模型的左视图。
图11是健侧胫骨镜像模型与患侧胫骨配准效果图。图11-A为配准后的主视图，图11-B是配准后的左视图，图11-①为健侧胫骨镜像模型，图11-②为患侧胫骨模型。
图12是患侧胫骨缺损效果图。图12-A为缺损效果图的主视图，图12-B为缺损效果图的左视图，图12-a为患侧胫骨缺损区域。
图13是患侧胫骨模型与胫骨假体模拟安装效果图。图13-①为胫骨衬垫，图13-②为胫骨平台，图13-③胫骨楔形垫块，图13-④为胫骨髓针，图13-⑤为患侧胫骨髓腔。
图14是最终确定的胫骨衬垫、胫骨平台、垫块、髓针安装效果图，图14-①为胫骨衬垫，图14-②为胫骨平台，图14-③为楔形垫块，图14-④为胫骨髓针。
图15是患者术后X线，图15-A为冠状位，图15-B为矢状位。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
一种膝关节翻修手术的术前规划方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：获取膝关节翻修手术患者的双下肢全长的CT薄层扫描影像数据，影像数据包括股骨全长和胫腓骨全长，影像数据的格式为Dicom，图像层厚≤1mm。所述影像数据包括健侧下肢影像数据和患侧下肢影像数据，根据前述影像数据在计算机软件中重建患者的双下肢三维模型，所述双下肢三维模型包括健侧下肢三维模型和患侧下肢三维模型。
步骤2：将健侧下肢三维模型转换为镜像健侧下肢三维模型，并将镜像健侧下肢三维模型的股骨、胫骨分别与患侧下肢三维模型的股骨、胫骨通过N点配准进行配准，即将镜像健侧下肢三维模型上股骨的n个特征点与患侧下肢三维模型上股骨的n个特征点进行配准对齐，将镜像健侧下肢三维模型上胫骨的n个特征点与患侧下肢三维模型上胫骨的n个特征点进行配准对齐，获得配准三维模型。
步骤3：根据配准三维模型，调节镜像健侧下肢三维模型的透明度，观察患侧下肢三维模型上的骨缺损情况，确定患侧下肢的骨缺损区域的缺损范围及其缺损尺寸。
步骤4：对镜像健侧下肢三维模型进行模拟截骨，确定截骨位置，即确定了患侧下肢的截骨位置和尺寸，根据截骨位置和尺寸来确定术中处理骨缺损时使用的垫块型号和尺寸，并生成垫块、假体的三维模型，假体三维模型存储为STL格式。其中，模拟截骨按照初次膝关节置换的形式进行，确定股骨远端截骨面，并模拟膝关节股骨髁假体和胫骨平台假体的安装，确定膝关节假体的位置。确定垫块型号和尺寸的具体步骤为：测量股骨髁处骨缺损区域到股骨假体模型的距离，测量胫骨平台骨缺损区域到胫骨平台假体模型的距离，根据测量的距离数值大小，确定术中所需的垫块尺寸，并根据股骨髁缺损形状和胫骨平台缺损形状，确定股骨端垫块和胫骨端垫块的形状。
步骤5：在患侧下肢三维模型中模拟膝关节假体安装，并根据患侧下肢三维模型髓腔的直径，确定髓针的型号，根据患侧下肢三维模型髓腔的方向，确定髓针的偏心距离，并生成髓针的三维模型。
步骤6：在患侧下肢三维模型中模拟安装垫块、假体和髓针的三维模型，画出患侧下肢三维模型的下肢力线，并观察膝关节假体模型的位置是否正确。
实施例1
一种膝关节翻修手术的术前规划方法，包括：
步骤1：获取膝关节翻修手术患者的双下肢全长的CT薄层扫描影像数据，根据前述影像数据在计算机软件中重建患者的双下肢三维模型。
如图2是患者双下肢模型三维重建效果图。在术前，患者需进行双下肢全长CT薄层扫描，层厚≤1mm，CT图像扫面范围为双下肢全长，包括股骨全长和胫腓骨全长。CT拍摄后，将患者的CT影像数据以Dicom格式导入到计算机设计软件中，并在计算机设计软件中重建患者下肢三维模型。图2-①为健侧股骨三维模型，图2-②为健侧胫骨三维模型，图2-③为健侧腓骨三维模型，图2-④为患侧股骨三维模型，图2-⑤为患侧胫骨三维模型，图2-⑥为患侧腓骨三维模型。图10是患侧胫骨三维模型，图10-A为患侧胫骨三维模型的主视图，图10-B为患侧胫骨三维模型的左视图。
步骤2：将健侧下肢三维模型转换为镜像健侧下肢三维模型，并将镜像健侧下肢三维模型的股骨、胫骨分别与患侧下肢三维模型的股骨、胫骨通过N点配准进行配准。
如图3是健侧三维模型镜像后效果图，在计算机设计软件中，通过镜像命令，对图2中重建出来的健侧股骨三维模型和健侧胫骨三维模型进行镜像，得到图3-①健侧股骨镜像模型和图3-②健侧胫骨镜像模型。
如图4是患侧股骨与健侧股骨镜像模型配准效果图，图4-A是配准后的前视图，图4-B是配准后的左视图。在计算机软件上，通过N点配准(N Points Registration)功能进行配准，既健侧股骨镜像模型上的特征点N1、N2、N3、N4……Nn，与患侧模型上的特征点N1’、N2’、N3’、N4’……Nn’进行配准对齐。
如图11是健侧胫骨镜像模型与患侧胫骨配准效果图，图11-A为配准后的主视图。图11-B是配准后的左视图，图11-①为健侧胫骨镜像模型，图11-②为患侧胫骨模型，在计算机软件上，通过N点配准(N Points Registration)功能进行配准，得到图11健侧胫骨镜像模型与患侧胫骨配准效果图。
步骤3：根据配准三维模型，调节镜像健侧下肢三维模型的透明度，观察患侧下肢三维模型上的骨缺损情况，确定患侧下肢的骨缺损区域的缺损范围及其缺损尺寸。
步骤4：对镜像健侧下肢三维模型进行模拟截骨，确定截骨位置，即确定了患侧下肢的截骨位置和尺寸，根据截骨位置和尺寸来确定术中处理骨缺损时使用的垫块型号和尺寸，并生成垫块、假体的三维模型。
如图5是健侧股骨镜像模型模拟术中截骨和安放股骨髁假体安放效果图，其中，图5-①是截骨后的健侧股骨镜像模型，图5-②是股骨髁假体模型。患侧股骨与健侧股骨镜像模型配准后，对健侧股骨镜像模型进行模拟术中截骨和模拟股骨髁假体安放。健侧股骨镜像模型的股骨远端截骨距离根据股骨髁假体的厚度而定，一般情况下，股骨远端的截骨距离为9mm，并且健侧股骨镜像模型的股骨远端截骨面要垂直股骨机械轴。如图6是患侧股骨缺损效果图，其中，图6-a即为患侧股骨的缺损区域，图6-①为患侧股骨模型。在图5中健侧股骨镜像模型已经进行了术中模拟截骨，比较截骨后的健侧股骨镜像模型和患侧股骨模型，会得到患侧股骨的缺损区域。
如图12是患侧胫骨缺损效果图，图12-A为缺损效果图的主视图，图12-B为缺损效果图的左视图，图12-a为患侧胫骨缺损区域。在图11中健侧胫骨镜像模型和患侧胫骨模型配准后，对健侧胫骨模型进行模拟截骨，内测截1mm，外侧截9mm，并且胫骨平台截骨面后倾角度为5°，比较截骨后的健侧胫骨镜像模型和患侧胫骨模型，确定患侧胫骨缺损范围和缺损尺寸。
步骤5：在患侧下肢三维模型中模拟膝关节假体安装，并根据患侧下肢三维模型髓腔的直径，确定髓针的型号，根据患侧下肢三维模型髓腔的方向，确定髓针的偏心距离，并生成髓针的三维模型。
如图7是患侧股骨模型与股骨髁假体和垫块模拟安装效果图，其中图7-A为患侧股骨模型与股骨髁假体和垫块模拟安装效果图的斜视图，图7-B为患侧股骨模型与股骨髁假体和垫块模拟安装效果图的左视图，图7-①为左侧股骨左侧后髁10mm垫块，图7-②为左侧股骨左侧远端10mm垫块，图7-③为左侧股骨左侧后髁5mm垫块，图7-④为股骨髁假体模型。根据图6确定的患侧股骨缺损范围和缺损尺寸，选择在患侧股骨缺损区域安装合适的垫块，从而使患侧股骨和图5-②股骨髁模型在术中安放的时候更加稳定。
如图13是患侧胫骨模型与胫骨假体模拟安装效果图，图13-①为胫骨衬垫，图13-②为胫骨平台，图13-③胫骨楔形垫块，图13-④为胫骨髓针，图13-⑤为患侧胫骨髓腔。根据图12确定的胫骨平台缺损范围选择合适的胫骨垫块，既图13-④胫骨楔形垫块。健侧胫骨镜像模型模拟截骨后，同时模拟安装图13-①为胫骨衬垫和图13-②为胫骨平台。根据患侧胫骨髓腔的直径，确定胫骨髓针的型号，然后再根据已经确定的胫骨衬垫和胫骨平台位置，确定胫骨髓针的偏心距离。
步骤6：在患侧下肢三维模型中模拟安装垫块、假体和髓针的三维模型，画出患侧下肢三维模型的下肢力线，并观察膝关节假体模型的位置是否正确。
如图8是患侧股骨和股骨髓针安装效果图，其中图8-①为患侧股骨髓腔，8-②为股骨髓针。在图7中确定股骨髁假体模型的位置和型号，然后根据患侧股骨髓腔的直径和髓腔的方向，确定股骨髓针的偏心距离，当髓腔直径测量10mm时，就选择10号的股骨髓针。如图9是最终确定的股骨髁、垫块、髓针安装效果图，其中图9-①为股骨髓针，图9-②为股骨远端10mm垫块，图9-③为股骨后髁5mm垫块，图9-④为股骨髁假体，图9-⑤为股骨后髁10mm垫块。
如图14是最终确定的胫骨衬垫、胫骨平台、垫块、髓针安装效果图，图14-①为胫骨衬垫，图14-②为胫骨平台，图14-③为楔形垫块，图14-④为胫骨髓针。
图15是患者术后X线，图15-A为冠状位，图15-B为失状位。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种膝关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取膝关节翻修手术患者的双下肢全长的CT薄层扫描影像数据，所述影像数据包括健侧下肢影像数据和患侧下肢影像数据，根据前述影像数据在计算机软件中重建患者的双下肢三维模型，所述双下肢三维模型包括健侧下肢三维模型和患侧下肢三维模型；
步骤2：将健侧下肢三维模型转换为镜像健侧下肢三维模型，并将镜像健侧下肢三维模型的股骨、胫骨分别与患侧下肢三维模型的股骨、胫骨通过N点配准进行配准，即将镜像健侧下肢三维模型上股骨的n个特征点与患侧下肢三维模型上股骨的n个特征点进行配准对齐，将镜像健侧下肢三维模型上胫骨的n个特征点与患侧下肢三维模型上胫骨的n个特征点进行配准对齐，获得配准三维模型；
步骤3：根据配准三维模型，调节镜像健侧下肢三维模型的透明度，观察患侧下肢三维模型上的骨缺损情况，确定患侧下肢的骨缺损区域的缺损范围及其缺损尺寸；
步骤4：对镜像健侧下肢三维模型进行模拟截骨，确定截骨位置，即确定了患侧下肢的截骨位置和尺寸，根据截骨位置和尺寸来确定术中处理骨缺损时使用的垫块型号和尺寸，并生成垫块、假体的三维模型；
步骤5：在患侧下肢三维模型中模拟膝关节假体安装，并根据患侧下肢三维模型髓腔的直径，确定髓针的型号，根据患侧下肢三维模型髓腔的方向，确定髓针的偏心距离，并生成髓针的三维模型；
步骤6：在患侧下肢三维模型中模拟安装垫块、假体和髓针的三维模型，画出患侧下肢三维模型的下肢力线，并观察膝关节假体模型的位置是否正确。
2.根据权利要求1所述的膝关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，步骤1中的影像数据包括股骨全长和胫腓骨全长。
3.根据权利要求1所述的膝关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，步骤1中的影像数据的格式为Dicom，图像层厚≤1mm。
4.根据权利要求1所述的膝关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，步骤4中的假体三维模型存储为STL格式。
5.根据权利要求1所述的膝关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，步骤4中的模拟截骨按照初次膝关节置换的形式进行，确定股骨远端截骨面，并模拟膝关节股骨髁假体和胫骨平台假体的安装，确定膝关节假体的位置。
6.根据权利要求1所述的膝关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，步骤4中确定垫块型号和尺寸的具体步骤为：测量股骨髁处骨缺损区域到股骨假体模型的距离，测量胫骨平台骨缺损区域到胫骨平台假体模型的距离，根据测量的距离数值大小，确定术中所需的垫块尺寸，并根据股骨髁缺损形状和胫骨平台缺损形状，确定股骨端垫块和胫骨端垫块的形状。
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