CN112402076B - 一种定位膝关节单髁置换术中假体旋转角度安全区的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定位膝关节单踝置换术中假体旋转角度安全区的方法，其特征在于包括以下步骤：1)获取患者术前膝关节的个性化运动学范围或患者术中模拟的膝关节的个性化运动学数据；2)基于获取的患者膝关节的个性化运动学范围，进行立体动态术前规划，得到患者个性化胫骨平台假体旋转安全区；3)基于步骤2)获得的患者个性化胫骨平台假体旋转安全区，制定术前计划报告、手术导航、患者特异性3D打印手术工具、机器人辅助手术方案。本发明基于患者个性化的不同姿态、功能的膝关节运动学数据，建立适应患者个性化运动需求的胫骨平台假体旋转方向安全范围，能够满足患者的运动学‑动力学需求，因此，可以广泛应用于膝关节单踝置换术研究领域。

Description

一种定位膝关节单髁置换术中假体旋转角度安全区的方法

技术领域

本发明涉及膝关节单踝置换术研究领域，特别是涉及一种定位膝关节单髁置换术中假体旋转角度安全区的方法。

背景技术

膝关节单髁置换是治疗内侧或外侧膝关节单间室关节炎的有效手段。膝关节单踝置换手术通常是利用机械手术工具，以骨性解剖为参考，进行截骨、软组织松解及假体安放操作。传统手术方法中，对于假体定位通常依据手术医生的经验,其中胫骨假体的旋转主要依靠胫骨平台前后轴线、股骨髁屈曲位方向及髂前上棘位置等解剖标记进行定位。因而，传统方法易引起以下问题：

1、解剖标志定位不准确，例如髂前上棘在手术当中不能充分显露。

2、容易出现假体方向或位置不良，特别是胫骨平台假体的旋转，由于缺乏可靠的解剖标志定位胫股关节动态旋转范围，难以确定胫骨平台假体的最佳旋转位置，出现术后假体撞击、磨损、脱位等并发症。

3、无法进行准确的个性化假体位置设计，满足患者的运动学-动力学需求。

4、由于外侧髁的活动范围比内侧髁显著增大，因此外侧单髁置换的患者手术依靠传统方案更加难以确定假体旋转方位。

5、术中模拟的膝关节屈伸活动由于没有负重、没有膝关节周围肌肉主动收缩，其运动学特点不能准确反映术后的膝关节运动特点，无法有效排除假体位置不良。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种定位膝关节单髁置换术中假体安全区的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种定位膝关节单踝置换术中假体旋转角度安全区的方法，其包括以下步骤：

1)获取患者术前膝关节的个性化运动学范围或患者术中模拟活动的膝关节的个性化运动学数据；

2)基于获取的患者膝关节的个性化运动学范围，进行立体动态术前规划，得到患者个性化胫骨平台假体旋转安全区；

3)基于获得的患者个性化胫骨平台假体旋转安全区，制定相关术前计划报告、手术导航、患者特异性3D打印手术工具、机器人辅助手术方案。

进一步地，所述步骤1)中，获取患者膝关节的个性化运动学范围的方法，包括以下步骤：

1.1)采集患者术前膝关节的个性化运动学数据或采集患者术中膝关节模拟活动的个性化运动学数据；

1.2)将采集的患者术前膝关节的个性化运动学数据或患者术中膝关节模拟活动的个性化运动学数据与膝关节CT或MRI数据配准，确定患者在行走、下蹲、上下楼梯、跳跃过程中胫骨-股骨关节的个性化运动学范围，或术中模拟的膝关节功能活动中的胫骨-股骨关节的个性化运动学范围；

1.3)基于步骤1.2)中获得的患者胫骨-股骨关节的个性化运动学范围，确定患者膝关节运动的准确胫骨-股骨接触轨迹、股骨髁空间运动范围数据。

进一步地，所述步骤1.1)中，

所述步骤1.1)中，采集患者术前膝关节的个性化运动学数据的方法为通过静态影像学方法或动态膝关节运动学监测器方法，采集内容包括人体行走、坐下、下蹲、跳跃运动过程当中，膝关节股骨-胫骨关节在屈伸、内/外旋转、内/外翻三个自由度上的相对转动，以及前后向、内外向、上下向3个自由度上的相对平移数据；

采集患者术中膝关节模拟活动的个性化运动学数据的方法为通过计算机辅助导航、传感器方式监测膝关节模拟活动，采集内容为膝关节屈曲、伸直运动过程当中，膝关节股骨-胫骨关节在屈伸、内/外旋转、内/外翻三个自由度上的相对转动，以及前后向、内外向、上下向3个自由度上的相对平移数据。。

进一步地，所述步骤1.3)中，确定患者膝关节运动的准确胫骨-股骨接触轨迹、股骨髁空间运动范围数据的方法为：假定胫骨平台在运动中固定不动，计算股骨内或外侧髁骨性整体在空间中相对于胫骨平台运动所扫过的空间。

进一步地，所述步骤2)中，获得患者个性化胫骨平台假体旋转安全区的方法，包括以下步骤：

2.1)将胫骨平台假体模型、患者骨模型数据导入建模，并对初始截骨厚度、假体大小、假体厚度、假体形状信息、假体位置进行初步规划，使得胫骨平台假体仅存内/外旋转单一自由度；

2.2)在步骤2.1)中初步规划的前提下，采用计算机三维模拟方法测试胫骨平台假体内/外旋转的安全范围，使得在该安全范围下无股骨-胫骨骨性撞击、无假体-假体撞击、无骨-假体撞击，得到患者个性化胫骨平台假体旋转安全区。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于患者个性化的不同姿态、功能的膝关节运动学数据，建立适应患者个性化运动需求的胫骨平台假体旋转方向安全范围，能够满足患者的运动学-动力学需求。2、本发明在确定患者的个性化运动学范围时，考虑了患者在各个运用状态下的膝关节骨性数据，使得计算得到的假体旋转角度安全范围可满足患者行走、坐位、下蹲、跳跃等不同功能活动下的运动学需求，提高疗效，降低患者术后假体撞击、脱位、磨损等并发症的风险。3、本发明基于前期采集的患者运动学数据，通过模拟假体植入手术，以股骨-胫骨空间运动学数据的边界为防止假体撞击的边界条件，在控制股骨髁大小、位置、胫骨平台大小等不同参数的前提下，计算胫骨平台假体在胫骨上的旋转角度安全范围，达到个性化单间室重建，改善术后功能，提高运动学疗效，降低手术失败率的效果。因此，本发明可以广泛应用于膝关节单踝置换术研究领域。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的一种定位膝关节单踝置换术中假体旋转角度安全区的方法，包括以下步骤：

1)进行术前/术中运动学数据采集：通过术前静态或动态的影像学或步态分析方法，或术中的运动模拟及监测方法，获取患者膝关节的个性化运动学范围；

2)假体旋转角度确定：基于获取的患者膝关节的个性化运动学范围，进行立体动态术前规划，得到患者个性化胫骨平台假体旋转安全区，以降低甚至避免术后假体撞击、磨损、脱位等并发症风险。

3)指导手术植入：基于步骤2)获得的患者个性化胫骨平台假体旋转安全区，制定术前计划报告、手术导航、患者特异性3D打印手术工具、机器人辅助手术等方案，以指导个性化假体安全区指导术中实施精准的假体植入。

上述步骤1)中，进行术前/术中运动学数据采集的方法，包括以下步骤：

1.1)采集患者术前膝关节的个性化运动学数据或采集患者术中膝关节模拟活动的个性化运动学数据。

术前采集患者膝关节的个性化运动学数据，采集患者膝关节的个性化运动学数据的方法包括静态影像学方法、动态膝关节运动学监测器等多种手段，例如基于电磁光学或惯性传感器或人工智能步态分析方法；采集内容包括但不限于人体行走、坐下、下蹲、跳跃等运动过程当中，膝关节股骨-胫骨关节在屈伸、内/外旋转、内/外翻三个自由度上的相对转动，以及前后向、内外向、上下向3个自由度上的相对平移。

术中采集患者膝关节的运动学数据方法，包括计算机辅助导航、智能传感器等手段，采集内容包括但不限于膝关节屈曲、伸直等运动过程当中，膝关节股骨-胫骨关节在屈伸、内/外旋转、内/外翻三个自由度上的相对转动，以及前后向、内外向、上下向3个自由度上的相对平移。

1.2)将采集的患者膝关节的个性化运动学数据与膝关节CT或MRI数据配准，确定患者在行走、下蹲、上下楼梯、跳跃等过程中胫骨-股骨关节的个性化运动学范围；

1.3)基于步骤1.2)中获得的患者胫骨-股骨关节的个性化运动学范围，确定患者膝关节运动的准确胫骨-股骨接触轨迹、股骨髁空间运动范围数据，为假体位置规划提供个性化依据。

上述步骤1.3)中，确定患者膝关节运动的准确胫骨-股骨接触轨迹、股骨髁空间运动范围数据的方法为：假定胫骨平台在运动中固定不动，计算股骨内或外侧髁骨性整体在空间中相对于胫骨平台运动所扫过的空间。

上述步骤2)中，基于步骤1)中获取的患者膝关节的个性化运动学范围，进行立体动态术前规划，得到患者个性化胫骨平台假体旋转安全区的方法，包括以下步骤：

2.1)采用计算机辅助设计软件/图像处理软件，或其他手术计划专用软件，将假体模型、患者骨模型数据导入建模，根据假体相关的设计初始截骨厚度、假体大小、假体厚度、假体形状等信息进行假体位置的初步规划，使得胫骨平台假体仅存内/外旋转单一自由度；

2.2)在控制上述初步参数的前提下，采用计算机三维模拟方法测试胫骨平台假体内/外旋转的安全范围，使得在该安全范围下无股骨-胫骨骨性撞击、无假体-假体撞击、无骨-假体撞击，即核心是使得胫骨平台假体的边缘始终处于上述所测得的股骨髁空间运动范围数据之外。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种定位膝关节单踝置换术中假体旋转角度安全区的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）获取患者术前膝关节的个性化运动学数据或患者术中模拟的膝关节的个性化运动学数据；

其中，获取患者膝关节的个性化运动学数据的方法，包括以下步骤：

步骤1.1）采集患者术前膝关节的个性化运动学数据或采集患者术中膝关节模拟活动的个性化运动学数据；

其中，采集患者术前膝关节的个性化运动学数据的方法为通过静态影像学方法或动态膝关节运动学监测器方法，采集内容包括人体行走、坐下、下蹲、跳跃运动过程当中，膝关节股骨-胫骨关节在屈伸、内/外旋转、内/外翻三个自由度上的相对转动，以及前后向、内外向、上下向3个自由度上的相对平移数据；

采集患者术中膝关节模拟活动的个性化运动学数据的方法为通过计算机辅助导航、传感器方式监测膝关节模拟活动，采集内容为膝关节屈曲、伸直运动过程当中，膝关节股骨-胫骨关节在屈伸、内/外旋转、内/外翻三个自由度上的相对转动，以及前后向、内外向、上下向3个自由度上的相对平移数据；

步骤1.2）将采集的患者术前膝关节的个性化运动学数据或患者术中膝关节模拟活动的个性化运动学数据与膝关节CT或MRI数据配准，确定患者在行走、下蹲、上下楼梯、跳跃过程中胫骨-股骨关节的个性化运动学范围，或术中模拟的膝关节功能活动中的胫骨-股骨关节的个性化运动学范围；

步骤1.3）基于步骤1.2）中获得的患者胫骨-股骨关节的个性化运动学范围，确定患者膝关节运动的准确胫骨-股骨接触轨迹、股骨髁空间运动范围数据；

其中，确定患者膝关节运动的准确胫骨-股骨接触轨迹、股骨髁空间运动范围数据的方法为：假定胫骨平台在运动中固定不动，计算股骨内或外侧髁骨性整体在空间中相对于胫骨平台运动所扫过的空间；

步骤2）基于获取的患者膝关节的个性化运动学数据，得到患者个性化胫骨平台假体旋转安全区；

其中，获得患者个性化胫骨平台假体旋转安全区的方法，包括以下步骤：

步骤2.1）将胫骨平台假体模型、患者骨模型数据导入建模，并对初始截骨厚度、假体大小、假体厚度、假体形状信息、假体位置进行初步规划，使得胫骨平台假体仅存内/外旋转单一自由度；

步骤2.2）在步骤2.1）中初步规划的前提下，采用计算机三维模拟方法测试胫骨平台假体内/外旋转的安全范围，使得在该安全范围下无股骨-胫骨骨性撞击、无假体-假体撞击、无骨-假体撞击，得到患者个性化胫骨平台假体旋转安全区。