CN112263330B - 传感器在膝关节假体垫片上的布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，先通过正常膝关节和假体垫片建立全膝关节置换术的膝关节三维模型；再对不同情况下的膝关节进行有限元分析得到应力云图，统计假体垫片在不同角度下受力情况的接触应力峰值坐标，得到峰值坐标集；最后采用聚类算法求解峰值坐标集的聚类情况，根据聚类结果计算出各类的几何中心点，在假体垫片上对应的几何中心点处布局传感器。本发明通过利用有限元分析模拟实际受力情况，并建立不同膝关节情况下的有限元模型，模拟膝关节不同屈曲过程，充分表现了在不同角度、不同受力下假体垫片的受力情况；在此基础上通过聚类算法求解假体垫片应力峰值位点的分类和几何中心点，得到合理的传感器布局位置。

Description

传感器在膝关节假体垫片上的布局方法

技术领域

本发明涉及临床医学领域，具体涉及传感器在膝关节假体垫片上的布局方法。

背景技术

全膝关节置换术(Total Knee arthroplasty，TKA)是一种治疗终末期膝关节骨性关节炎的最有效方法，能长期缓解患者疼痛，改善关节功能，提高生活质量。然而关节周围软组织不平衡常会导致膝关节不稳和假体松动等全膝关节置换术预后不良的情况，导致需要进行翻修手术。临床中需要进行全膝关节置换术的患者往往存在软组织失衡的问题，医生会在手术中进行中度或广泛的软组织松解。因此适当的软组织平衡对全膝关节置换术的预后至关重要，能降减轻疼痛低翻修率，改善功能增加患者满意度。

目前广泛认可的软组织达到平衡的条件为膝关节屈伸过程中两侧韧带的张力相等，但对两侧韧带的张力是否相等的测量方法通常都是取决于外科医生的模糊感觉和主观判断，评估的准确性和可靠性都较低。近年来，利用传感器定量测量软组织平衡代替传统的人为判断成为趋势，但是，通过控制传感器元件的数量和对传感器元件布局而达到的对软组织平衡的测量效果仍然有限，需要改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以更好地反映假体垫片的受力情况、定量分析膝关节置换手术中软组织平衡问题的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，包括以下步骤：

步骤1：利用医学影像数据建立正常膝关节三维模型，获取膝关节假体垫片的三维模型，对正常膝关节三维模型进行手术模拟并植入假体垫片的三维模型，得到全膝关节置换术的膝关节三维模型；

步骤2：对不同情况下的全膝关节置换术的膝关节三维模型进行有限元分析，得到应力云图，统计假体垫片在不同角度下受力情况的接触应力峰值坐标，得到峰值坐标集；

步骤3：采用聚类算法求解峰值坐标集的聚类情况，根据聚类结果计算出各类的几何中心点，在假体垫片上对应的几何中心点处布局传感器。

进一步地，所述步骤1中利用医学影像数据建立正常膝关节三维模型的方法为，使用计算机断层扫描和磁共振成像共同建立医学影像数据，对医学影像数据进行平滑处理后得到正常膝关节三维模型。

进一步地，所述步骤1中获取膝关节假体垫片的三维模型的方法为，使用激光扫描仪扫描膝关节假体垫片，并对扫描数据进行平滑处理得到膝关节假体垫片的三维模型。

进一步地，所述步骤1中获取膝关节假体垫片的三维模型，膝关节假体垫片为可移动轴承的膝关节假体垫片。

进一步地，所述步骤1中对正常膝关节三维模型进行手术模拟并植入假体垫片的三维模型，具体为进行全膝关节置换术的手术模拟股骨和胫骨的截骨，将假体垫片植入截骨完成的股骨和胫骨中。

进一步地，所述将假体垫片植入截骨完成的股骨和胫骨中的过程中，股骨假体与假体垫片的内、外侧间室之间的接触面积最大且相等。

进一步地，所述步骤1中对正常膝关节三维模型进行手术模拟，手术模拟采用机械对齐的方法进行。

进一步地，所述步骤2中对不同情况下的全膝关节置换术的膝关节三维模型进行有限元分析，通过调节韧带挛缩得到软组织平衡、内侧副韧带挛缩、外侧副韧带挛缩三种情况，并分别进行有限元分析。

进一步地，所述步骤2中统计假体垫片在不同角度下受力情况的接触应力峰值坐标，分别统计假体垫片在0～90°下每一度屈曲的接触应力峰值坐标。

进一步地，所述步骤3中采用的聚类算法为K均值聚类算法。

本发明的有益效果：该传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，通过利用有限元分析模拟实际受力情况，并建立不同膝关节情况下的有限元模型，模拟膝关节不同屈曲过程，充分表现了在不同角度、不同受力下假体垫片的受力情况；在此基础上通过采用聚类算法求解假体垫片应力峰值位点的分类和几何中心点，得到合理的传感器元件的布局位置，利用传感器定量测量软组织平衡，方便在安装假体后对软组织进行调整使其达到平衡。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。此外，术语“包括”意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，没有限定于已列出的步骤或单元而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

参照图1所示，本发明一种传感器在膝关节假体垫片上的布局方法的实施例，为了更好地根据被测物体的形状来进行弯曲和变化，本实施例中使用的传感器为采用柔性材料构成的、具有良好延展性的柔性传感器。本实施例包括以下步骤：

步骤1：利用医学影像数据建立正常膝关节三维模型，获取膝关节假体垫片三维模型，对正常膝关节三维模型进行手术模拟并植入假体垫片的三维模型，得到全膝关节置换术的膝关节三维模型。

步骤1-1：利用计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)获取医学影像数据，通过医学影像数据建立正常膝关节的三维模型。

获取的样本对象既往右下肢无骨骼肌肉相关疾病，表示右下肢是健康的。三维模型包括股骨、胫骨、髌骨、腓骨及膝关节周围相关软组织。CT对骨组织识别度高，MRI对韧带等软组织识别度高。CT层厚为0.1mm，MRI层厚为0.4mm。将DICOM格式的CT和MRI数据导入软件Mimics(Materialise's interactive medical image control system，一种医学影像控制系统)重建下肢几何曲面。将重建的三维模型进行适当的对齐，获得完整的正常膝关节三维模型。

步骤1-2：选用骨水泥后稳定可移动轴承的膝关节假体系统(美国Zimmer公司的产品)作为本实施例中植入的膝关节假体垫片。选择骨水泥后稳定可移动轴承的膝关节假体系统可以在金属部件和聚乙烯部件之间提供低摩擦力的平移活动，与固定轴承的膝关节假体垫片相比内外侧副韧带的平衡效果更显著。

使用激光扫描仪扫描该假体垫片，得到假体垫片的三维轮廓点云数据，通过曲面反求重构，获取膝关节假体垫片的外形数据的stl文件(stl，立体光刻格式的三维模型，可以描述三维物体的表面几何形状)。将stl文件导入Mimics，生成膝关节假体垫片的三维模型。将模型导入软件Geomagic Studio(一种可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型的软件)，对模型的表面进行平滑处理，删除突出的三角形，生成三维曲面片，将各模型实体化，输出STEP文件，得到膝关节假体垫片三维模型。

步骤1-2：将正常膝关节三维模型和膝关节假体垫片三维模型导入计算机辅助设计软件SolidWorks中，在有临床经验的外科医生的指导下进行手术模拟。采用机械对齐的方法进行手术模拟，通过软组织平衡来恢复下肢的中性机械对齐，平衡膝关节受力。

根据影像资料的解剖特征，测量股骨的机械轴和解剖轴，胫骨机械轴和解剖轴，股骨远端外翻角约，胫骨平台后倾角，股骨上髁轴等。基于上述测量的解剖特征，股骨假体按照屈曲0°、外翻角6°和外旋3°植入，胫骨假体后倾7°植入。这些参数是基于TKA手术常规原则确定，被认为是植入股骨组件的定位的标准参数，用于建立标准TKA模型。根据样本对象下肢及膝关节解剖特点，选择合适的右膝假体规格是：D型股骨、4号胫骨组件和10mm聚乙烯衬垫。

首先行股骨远端截骨术，切除厚度按照股骨假体远端厚度，截骨面垂直于股骨机械轴。后髁截骨面相对于后髁轴向外旋转3°，使股骨假体垂直于连接膝关节中心和股骨头中心的机械轴。接着，行胫骨近端截骨术，切除厚度为胫骨假体平台厚度，至胫骨外侧平台最高点。截骨面垂直于胫骨机械轴，矢状面后倾为7°，将胫骨假体中心线在轴平面上对齐胫骨结节内侧1/3，使胫骨假体垂直于连接膝关节中心和踝关节中心的机械轴。完成TKA的手术模拟股骨和胫骨的截骨，对于髌骨我们不做任何处理。最后，将假体垫片植入截骨完成的股骨和胫骨中，股骨假体与假体垫片的内、外侧间室之间的接触面积最大且相等，确保假体之间的准确对齐，至此得到TKA膝关节三维模型。

步骤2：对不同情况下的全膝关节置换术的膝关节三维模型进行有限元分析，得到应力云图，统计假体垫片在不同角度下受力情况的接触应力峰值坐标，得到峰值坐标集。

步骤2-1：将TKA膝关节三维模型以STEP文件形式导入软件HyperMesh(一种具有有限元网格划分前处理功能的软件)中生成网格。构建TKA膝关节的标准有限元模型，包括股骨、胫骨、腓骨、内外侧副韧带，以及假体股骨组件，假体胫骨组件，聚乙烯衬垫。对TKA膝关节三维模型进行材料赋予、网格划分、刚度与接触设定、约束与负载的添加等参数设置。

由于人体骨骼的材料特性是复杂的，在不同的人体主体之间存在差异，因此，很难为骨指定任何特定的各向异性材料特性。本实施例中因为骨的刚度远高于相关软组织，其在本研究中的影响可以忽略不计，我们将骨视为刚体。股骨假体、假体垫片、胫骨假体分别由钴铬合金(CoCr)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、钛合金(Ti6Al4V)组成。与以往的研究相似，材料均被认为是均质且各向同性的。由于使用的是可移动轴承的人工膝关节假体垫片，置换术中十字韧带都已经被移除，保留了内外侧副韧带。内外侧副韧带被建模为Neo-Hookean超弹性各向同性。为了模拟膝关节软组织的不平衡情况，通过调节模型韧带的附着面积来模拟相应韧带的挛缩以达到软组织不平衡。调节其内侧副韧带结合面积增加，模拟内侧软组织挛缩的人工膝关节模型，调节其外侧副韧带结合面积增加，模拟外侧软组织挛缩的人工膝关节模型。将髌骨韧带和四头肌腱建模为非线性、仅张力弹簧单元，其刚度假设为200N/mm。有限元分析的接触定义产生三对接触：股骨假体和假体垫片之间，假体垫片和胫骨假体之间，股骨假体与髌骨假体之间。为了与前人研究提出的显式人工膝关节有限元模型保持一致，聚乙烯材料与金属之间为有摩擦的非线性接触，摩擦系数设为0.04，其余接触设为无摩擦接触。接触是通过使用带有权重因子的惩罚方法来确定的，接触条件为有限位移和面对面接触。因此，接触力被定义为主面穿透距离的函数。股骨和胫骨组件分别与股骨和胫骨模型紧密结合，使用绑定连接在一起。股骨保持屈曲自由，胫骨和腓骨远的远端完全固定无自由度。1000N的载荷力(沿着机械轴方向)应用于股骨头中心,和一个垂直于力线方向100N的推力，使股骨绕关节旋转，可以观察假体垫片压力峰值的变化。

步骤2-2：将设置好各参数的TKA膝关节三维模型以INP格式输入到Abaqus(一种功能强大的有限元工程模拟软件)中，调节韧带挛缩得到软组织平衡、内侧副韧带挛缩、外侧副韧带挛缩模型三种情况下的假体垫片应力云图，后处理中分别统计其假体垫片在0～90°下每一度屈曲的接触应力峰值坐标，得到峰值坐标集。

步骤3：采用聚类算法求解峰值坐标集的聚类情况，根据聚类结果计算出各类的几何中心点，在假体垫片上对应的几何中心点处布局传感器。

步骤3-1：将峰值坐标集导入到Pycharm开发软件中，利用K均值聚类算法在峰值坐标集合中选取K个点作为初始聚类中心点，根据各点与中心点的欧氏距离，将数据进行聚类；计算每类的均值坐标并与原中心点作比较，若值相同则输出聚类结果，若数值不同则进行迭代；获得最终的分类结果，并求解出每一类的几何中心点。

步骤3-2：进行轮廓系数确定，验证K均值聚类的分类效果。验证聚类合理后，根据分类结果分别计算各类的几何中心点，将几何中心点的坐标导出并标记在假体垫片上，在假体垫片的相应位置设置传感器，即完成了对传感器数量和位置的布局。

本发明的有益效果：该传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，通过利用有限元分析模拟实际受力情况，并建立不同膝关节情况下的有限元模型，模拟膝关节不同屈曲过程，充分表现了在不同角度、不同受力下假体垫片的受力情况，合适调整组织平衡；在此基础上通过采用聚类算法求解假体垫片应力峰值位点的分类和几何中心点，得到合理的传感器元件的布局位置，利用传感器定量测量软组织平衡，方便在安装假体后对软组织进行调整使其达到平衡。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用医学影像数据建立正常膝关节三维模型，获取膝关节假体垫片的三维模型，对正常膝关节三维模型进行手术模拟并植入假体垫片的三维模型，得到全膝关节置换术的膝关节三维模型；

步骤2：对不同情况下的全膝关节置换术的膝关节三维模型进行有限元分析，通过调节韧带挛缩得到软组织平衡、内侧副韧带挛缩、外侧副韧带挛缩三种情况并分别进行有限元分析，得到应力云图；统计假体垫片在不同角度下受力情况的接触应力峰值坐标，得到峰值坐标集；

步骤3：采用聚类算法求解峰值坐标集的聚类情况，根据聚类结果计算出各类的几何中心点，在假体垫片上对应的几何中心点处布局传感器。

2.根据权利要求1所述的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于：所述步骤1中利用医学影像数据建立正常膝关节三维模型的方法为，使用计算机断层扫描和磁共振成像共同建立医学影像数据，对医学影像数据进行平滑处理后得到正常膝关节三维模型。

3.根据权利要求1所述的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于：所述步骤1中获取膝关节假体垫片的三维模型的方法为，使用激光扫描仪扫描膝关节假体垫片，对扫描数据进行平滑处理得到膝关节假体垫片的三维模型。

4.根据权利要求1所述的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于：所述步骤1中获取膝关节假体垫片的三维模型，膝关节假体垫片为可移动轴承的膝关节假体垫片。

5.根据权利要求1所述的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于：所述步骤1中对正常膝关节三维模型进行手术模拟并植入假体垫片的三维模型，具体为进行全膝关节置换术的手术模拟股骨和胫骨的截骨，将假体垫片植入截骨完成的股骨和胫骨中。

6.根据权利要求5所述的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于：所述将假体垫片植入截骨完成的股骨和胫骨中的过程中，股骨假体与假体垫片的内、外侧间室之间的接触面积最大且相等。

7.根据权利要求1所述的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于：所述步骤1中对正常膝关节三维模型进行手术模拟，手术模拟采用机械对齐的方法进行。

8.根据权利要求1所述的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于：所述步骤2中统计假体垫片在不同角度下受力情况的接触应力峰值坐标，分别统计假体垫片在0～90°下每一度屈曲的接触应力峰值坐标。

9.根据权利要求1所述的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于：所述步骤3中采用的聚类算法为K均值聚类算法。

Images