CN111887908A - 一种膝关节韧带重建智能控制系统及方法 - Google Patents

一种膝关节韧带重建智能控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种膝关节韧带重建智能控制系统及方法，关节镜手术系统，用于观察待手术关节内部结构，并实时监控前交叉韧带重建手术过程；采点建模系统，与关节镜手术系统连接，依据待手术关节内部结构定位隧道的位置，构建隧道空间路径模型；机械臂定位系统，与采点建模系统连接，依据隧道空间路径模型，对隧道进行物理辅助定位，为前交叉韧带重建手术提供导向，本发明通过关节镜手术系统观察关节内部结构，并精准观察手术的整个过程，通过采点建模系统，并构建隧道空间路径模型，模拟出隧道路径，进而通过机械臂定位系统辅助术者用导针一次性建立胫骨隧道和股骨隧道，降低手术难度，提高手术质量和效率。

Description

一种膝关节韧带重建智能控制系统及方法
技术领域
本发明涉及辅助医疗手术领域，尤其涉及一种膝关节韧带重建智能控制系统及方法。
背景技术
膝关节是人体最复杂的关节之一，膝关节韧带损伤是运动医学的常见病，为避免膝关节不稳进一步发展成骨关节炎等不良后果，应对断裂的韧带及时重建。膝关节韧带重建通常涉及诊断性关节镜检查、切取准备韧带移植物、建立以韧带解剖附着点为出入口的骨隧道、移植物的植入和固定，其中建立用于固定重建韧带的骨隧道是手术的重点和难点。以最常见的前交叉韧带重建手术为例，理论上，根据前交叉韧带在股骨和胫骨上的两个附着点就可以确定出一条直线，两端都走行于骨质内；然而，经胫骨隧道达到股骨隧道解剖定点的方法对术者的空间定位感要求极高，对于缺乏经验的术者来说不易完成。现有的手术导航系统可以将足印区定位过程可视化，辅助术者调整至合适的定位器钩端位置和导针角度，但总体精度仍有待提高。随着近年机器人导航手术技术的研发和应用，机械臂辅助定位有望成为经胫骨隧道准确建立股骨隧道的可靠保障，有助于消除技术壁垒。同样地，在其他膝关节韧带重建手术中，将导航系统和机械臂空间定位相结合可以降低手术难度、提高手术质量和精度以及推广新技术。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种膝关节韧带重建智能控制系统及方法，解决以上技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种膝关节韧带重建智能控制系统，包括
关节镜手术系统，用于观察待手术关节内部结构，并实时监控前交叉韧带重建手术过程；
采点建模系统，与所述关节镜手术系统连接，依据所述待手术关节内部结构定位隧道的位置，构建隧道空间路径模型；
机械臂定位系统，与所述采点建模系统连接，依据所述隧道空间路径模型，对所述隧道进行物理辅助定位，为所述前交叉韧带重建手术提供导向。
优选地，所述关节镜手术系统包括空心棒，所述空心棒的内部固定有透镜、光导纤维和摄像装置，所述摄像装置连接显示装置，所述空心棒连接一动力装置，通过所述动力装置将所述空心棒的一端导入所述关节内部。
优选地，所述采点建模系统包括探针、追踪器和计算机，所述探针连接所述追踪器，所述追踪器连接所述计算机。
优选地，所述探针用于采集关节镜下的多个采样点，所述追踪器将所述采样点传输至所述计算机，多个所述采样点构成采样点集，所述计算机依据所述采样点集构建三维坐标系和所述隧道空间路径模型，并依据预定算法确定胫骨和股骨隧道内口的位置。
优选地，所述机械臂定位系统包括机械臂，所述机械臂的一端设置一空心套筒。
优选地，所述机械臂为七自由度机械臂。
优选地，所述空心套筒的内径比所述隧道内径大。
另外，依据上述所述的膝关节韧带重建智能控制系统，本发明还提供一种膝关节韧带重建智能控制方法，操作方法包括：
S100、在关节镜系统的视线范围内采集若干位置点，组成所述采样点集，依据所述采样点集建立三维坐标系；
S200、于所述三维坐标系内选取若干特征点，依据所述特征点建立所述隧道空间路径模型；
S300、依据所述隧道空间路径模型，定位所述隧道内口的位置；
S400、依据所述隧道内口的位置，通过所述机械臂定位所述空心套筒，使所述空心套筒的内腔对准所述隧道内口；
S500、依据所述空心套筒的导引，通过工具建立隧道。
优选地，步骤S200包括：
S201、用刚性探针分别对股骨、胫骨关节面上进行多点采点；计算机依据所述多点采点模拟关节面效果图；
S202、再次进行精细采点，采集包括过顶点、下参考点、外侧半月板游离缘任一点、内侧髁间嵴外侧坡面任一点，计算机依据预定算法和所述精细采点确认所述胫骨和所述股骨的隧道内口位置。
优选地，步骤S500包括
S501、使空心套筒对准胫骨隧道内口，用钻头插入所述空心套筒内并钻出胫骨隧道外口凹槽，通过导针插入所述胫骨隧道外口凹槽建立胫骨隧道；
S502、使空心套筒对准股骨隧道内口，用钻头插入所述空心套筒内并钻出股骨隧道外口凹槽，通过导针插入所述股骨隧道外口凹槽建立股骨隧道。
有益效果：本发明通过关节镜手术系统观察关节内部结构，并精准观察手术的整个过程，通过采点建模系统，定位关节内部隧道的位置，并构建隧道空间路径模型，模拟出隧道路径，进而通过机械臂定位系统对隧道路径进行物理定位，从而为手术提供导向，辅助术者用导针一次性建立胫骨隧道和股骨隧道，以避免前内侧入路建立股骨隧道的极度屈膝、隧道定位欠准确、隧道长度过短、外口过低、易损伤腓总神经和刺激髂胫束等劣势，降低手术难度，提高手术质量和效率。
附图说明
图1为本发明的膝关节韧带重建智能控制系统结构组成图；
图2为本发明的膝关节韧带重建智能控制方法流程图。
图中：1-关节镜手术系统；10-关节镜；2-采点建模系统；20-探针；21-追踪器；22-计算机；3-机械臂定位系统；30-机械臂；31-空心套筒；4-显示装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，本发明提供了一种膝关节韧带重建智能控制系统，包括
关节镜手术系统1，用于观察待手术关节内部结构，并实时监控前交叉韧带重建手术过程；
采点建模系统2，与关节镜手术系统连接，依据待手术关节内部结构定位隧道的位置，构建隧道空间路径模型；
机械臂定位系统3，与采点建模系统连接，依据隧道空间路径模型，对隧道进行物理辅助定位，为前交叉韧带重建手术提供导向。
本发明的优点在于：
本发明通过关节镜手术系统观察关节内部结构，并精准观察手术的整个过程，通过采点建模系统，定位关节内部隧道的位置，并构建隧道空间路径模型，模拟出隧道路径，进而通过机械臂定位系统对隧道路径进行物理定位，从而为手术提供导向，辅助术者用导针一次性建立胫骨隧道和股骨隧道，以避免前内侧入路建立股骨隧道的极度屈膝、隧道定位欠准确、隧道长度过短、外口过低、易损伤腓总神经和刺激髂胫束等劣势，降低手术难度，提高手术质量和效率。
作为本发明一种优选的实施方式，关节镜手术系统1包括关节镜10和显示装置4，显示装置4为显示屏。关节镜10包括空心棒，空心棒的内部固定有透镜、光导纤维和摄像装置，摄像装置连接显示装置4，空心棒连接一动力装置，通过动力装置将空心棒10的一端导入关节内部。
空心棒为长20余厘米，粗4-5毫米的细棒，用来插入关节腔，棒内含一组光导纤维和一组透镜，光导纤维将光线传入关节，透镜则将关节内的影像传出。在关节外，一根光缆将光导纤维与冷光源相连接，这样冷光源可以照亮关节；一个摄像头将透镜与主机和显示装置4相连接，从而把关节内的影像反映到显示装置4上。通过在皮肤上建立约0.8mm～1.0cm微小切口，将关节镜放入关节内，并在其后方接驳摄像和显示设备，可直接观察关节内形态和病变。
作为本发明一种优选的实施方式，采点建模系统2包括探针20、追踪器21和计算机22，探针20连接追踪器21，追踪器21连接计算机22。
作为本发明一种优选的实施方式，探针20用于采集关节镜下的多个采样点，追踪器21将采样点传输至计算机22，多个采样点构成采样点集，计算机22依据采样点集构建三维坐标系和隧道空间路径模型，并依据预定算法确定胫骨和股骨隧道内口的位置。
作为本发明一种优选的实施方式，机械臂定位系统3包括机械臂30，机械臂30的一端设置一空心套筒31。可补充的是，本发明的机械臂30不仅可以辅助定位，使钻头和导针准确钻入或导入隧道内口进行手术；还能进行麻醉、捆绑止血带、摆放体位(屈膝90度、大腿近段外侧面放置挡板)、体表标记、消毒铺巾、诊断性关节镜再次确认适用于机械臂辅助的前交叉韧带重建手术、自体移植物切取和制备等手术前操作。
作为本发明一种优选的实施方式，机械臂30为七自由度机械臂。灵活度高，可旋转多个角度，使空心套筒31对准隧道内口。
作为本发明一种优选的实施方式，空心套筒31的内径比隧道内径大，使钻头和导针可插入空心套筒31内，并钻入隧道内口进行手术。
另外，依据上述的膝关节韧带重建智能控制系统，本发明还提供一种膝关节韧带重建智能控制方法，如图2所示，操作方法包括：
术前准备：根据患者病史、专科体检、MRI影像资料明确手术指征，确认手术方式，尤其是确认患者适用于机械臂辅助的前交叉韧带重建手术。
机械臂前期操作：包括麻醉、捆绑止血带、摆放体位(屈膝90度、大腿近段外侧面放置挡板)、体表标记、消毒铺巾、诊断性关节镜再次确认适用于机械臂辅助的前交叉韧带重建手术、自体移植物切取和制备。
S100、在关节镜系统的视线范围内采集若干位置点，组成采样点集，依据采样点集建立三维坐标系；依据采点建模系统标定提示，用用刚性探针选取关节镜下内侧半月板最内侧A点、外侧半月板最外侧B点及内踝体表定位C点、外踝体表定位D点。经A、B两点确定X坐标轴，经CD中点作AB垂线确定Z轴(沿小腿长轴)，由此建立三维坐标系。
S200、于三维坐标系内选取若干特征点，依据特征点建立隧道空间路径模型；在系统上选择手术部位为左膝或右膝；选择手术方式，对于前交叉韧带单束和双束重建手术，其特征点选取并无太大差异，根据选择的手术方式不同，得出的相应胫骨隧道和股骨隧道内口位置略有差异。
S300、依据隧道空间路径模型，定位隧道内口的位置；
模拟定位图：采点建模系统界面生成关节面特征点和隧道内口位置效果图；生成前向和侧向观的隧道位置效果图，术者确认若干效果图基本吻合。
S400、依据隧道内口的位置，通过机械臂定位空心套筒，使空心套筒的内腔对准隧道内口；
S500、依据空心套筒的导引，通过工具建立隧道。
作为本发明一种优选的实施方式，步骤S200包括：
S201、首先进行粗采点建模：用刚性探针分别对股骨、胫骨关节面上进行多点采点；计算机依据多点采点模拟关节面效果图；然后计算机将关节效果图输送至显示装置显示出来；
对于粗采建模的过程，既可以选择关节镜下用刚性探针采集特征点，也可以选择利用术前影像学资料三维重建后的模型进行配准。
S202、然后进行精细采点建模：再次进行精细采点，集过顶点E、下参考点F、外侧半月板游离缘任一点G、内侧髁间嵴外侧坡面任一点H，计算机依据预定算法和精细采点确认胫骨和股骨的隧道内口位置。
对于特征点的选取，可以根据不同术者的习惯调整算法，既可以取一些特征点(包括但不限于上述E、F、G、H四点)通过算法确定胫骨隧道和股骨隧道内口位置，也可以直接根据术者经验标定出预定的内口位置。
胫骨隧道内口、股骨隧道内口定位方法如下：在本实施例中，胫骨隧道内口可由过G作X轴平行线与过H作Y轴平行线交点确定(胫骨关节面上投影)；股骨隧道内口可由F点向上5mm再向E点5mm确定(股骨关节面上投影)。
作为本发明一种优选的实施方式，步骤S500包括
S501、使空心套筒对准胫骨隧道内口，用钻头插入空心套筒内并钻出胫骨隧道外口凹槽，通过导针插入胫骨隧道外口凹槽建立胫骨隧道；
S502、使空心套筒对准股骨隧道内口，用钻头插入空心套筒内并钻出股骨隧道外口凹槽，通过导针插入股骨隧道外口凹槽建立股骨隧道。
机械臂定位步骤还包括：S600、确认隧道方向后，机械臂按预定直线到位。在此步骤中，需要术者随时确定隧道位置没有发生偏移。具体实现方式如下：术者用刚性探针标出根据术者经验确定的胫骨隧道和股骨隧道内口位置，比对是否在空心套筒轴线确定的直线上。
S601、若术者对上述校准结果不满意，可摒弃上述取点法，直接点出胫骨和股骨隧道内口。
S602、若术者对上述校准结果满意，可继续操作：在膝关节固定条件下，用钻头钻出胫骨隧道外口凹槽，用导针建立胫骨隧道。胫骨隧道建立后，再次确认符合一根导针一次性建立胫骨隧道和股骨隧道要求，继续建立股骨隧道，完成机械臂辅助的手术步骤。对于胫骨隧道的精确建立，在钻头钻出隧道外口凹槽后，既可以选择沿机械臂定位方向钻入导针，也可以选择使用现有手术器械包括各种定位器钻入导针。
机械臂后期操作包括：同常规前交叉韧带重建手术，包括钻头扩张隧道、髁间凹成形术、移植物植入和固定、移植后生物力学检查、缝合包扎、康复训练等。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种膝关节韧带重建智能控制系统，其特征在于，包括
关节镜手术系统，用于观察待手术关节内部结构，并实时监控前交叉韧带重建手术过程；
采点建模系统，与所述关节镜手术系统连接，依据所述待手术关节内部结构定位隧道的位置，构建隧道空间路径模型；
机械臂定位系统，与所述采点建模系统连接，依据所述隧道空间路径模型，对所述隧道进行物理辅助定位，为所述前交叉韧带重建手术提供导向。
2.根据权利要求1所述的一种膝关节韧带重建智能控制系统，其特征在于，所述关节镜手术系统包括空心棒，所述空心棒的内部固定有透镜、光导纤维和摄像装置，所述摄像装置连接显示装置，所述空心棒连接一动力装置，通过所述动力装置将所述空心棒的一端导入所述关节内部。
3.根据权利要求1所述的一种膝关节韧带重建智能控制系统，其特征在于，所述采点建模系统包括探针、追踪器和计算机，所述探针连接所述追踪器，所述追踪器连接所述计算机。
4.根据权利要求3所述的一种膝关节韧带重建智能控制系统，其特征在于，所述探针用于采集关节镜下的多个采样点，所述追踪器将所述采样点传输至所述计算机，多个所述采样点构成采样点集，所述计算机依据所述采样点集构建三维坐标系和所述隧道空间路径模型，并依据预定算法确定胫骨和股骨隧道内口的位置。
5.根据权利要求1所述的一种膝关节韧带重建智能控制系统，其特征在于，所述机械臂定位系统包括机械臂，所述机械臂的一端设置一空心套筒。
6.根据权利要求5所述的一种膝关节韧带重建智能控制系统，其特征在于，所述机械臂为七自由度机械臂。
7.根据权利要求5所述的一种膝关节韧带重建智能控制系统，其特征在于，所述空心套筒的内径比所述隧道内径大。
8.一种膝关节韧带重建智能控制方法，其特征在于，用于权利要求1-7任意一项所述的膝关节韧带重建智能控制系统，操作方法包括：
S100、在关节镜系统的视线范围内采集若干位置点，组成所述采样点集，依据所述采样点集建立三维坐标系；
S200、于所述三维坐标系内选取若干特征点，依据所述特征点建立所述隧道空间路径模型；
S300、依据所述隧道空间路径模型，定位所述隧道内口的位置；
S400、依据所述隧道内口的位置，通过所述机械臂定位所述空心套筒，使所述空心套筒的内腔对准所述隧道内口；
S500、依据所述空心套筒的导引，通过工具建立隧道。
9.根据权利要求8所述的一种膝关节韧带重建智能控制方法，其特征在于，步骤S200包括：
S201、用刚性探针分别对股骨、胫骨关节面上进行多点采点；计算机依据所述多点采点模拟关节面效果图；
S202、再次进行精细采点，采集包括过顶点、下参考点、外侧半月板游离缘任一点、内侧髁间嵴外侧坡面任一点，计算机依据预定算法和所述精细采点确认所述胫骨和所述股骨的隧道内口位置。
10.根据权利要8所述的一种膝关节韧带重建智能控制方法，其特征在于，步骤S500包括
S501、使空心套筒对准胫骨隧道内口，用钻头插入所述空心套筒内并钻出胫骨隧道外口凹槽，通过导针插入所述胫骨隧道外口凹槽建立胫骨隧道；
S502、使空心套筒对准股骨隧道内口，用钻头插入所述空心套筒内并钻出股骨隧道外口凹槽，通过导针插入所述股骨隧道外口凹槽建立股骨隧道。
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