CN112826567A - 一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统及方法 - Google Patents

一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术方法和系统，其中方法包括以下步骤：S1、系统标定，建立三维坐标系；S2、建立关节面三维模型，采用马鞍槽比例参考定位法在关节面三维模型上确定内侧髌股韧带股骨侧位置；S3、在关节面三维模型上示出关节面特征点，建立内侧髌股韧带股骨侧隧道；S4、机械臂定位至内侧髌股韧带股骨侧位置，辅助导针建立内侧髌股韧带股骨侧隧道。本发明将机械臂手术系统与关节镜手术器械相融合，并利用定量标定的方式，精准定位内侧髌股韧带股骨侧隧道位置，进而通过机械臂辅助操作者一次性建立隧道，为内侧髌股韧带股骨侧隧道建立提出一种精确的、有效的、易实现的解决方案。

Description

一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统及方法
技术领域
本发明涉及辅助医疗手术技术领域，尤其涉及一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统及方法。
背景技术
膝关节是人体最复杂的关节之一，髌骨脱位是膝关节常见运动损伤。内侧髌股韧带重建手术作为髌骨脱位治疗的主要手术方式之一，取得一定的临床效果。
但其股骨侧定位一直存在争议，在主流的影像学定位方法中，因术中透视获取纯侧位较为困难，且其定位参考点非解剖点，故存在隧道定位偏差大，术后失效率高等问题，同时增加了辐射暴露。
近来，随着对解剖定位点(例如马鞍槽)的定量分析和研究，术中触诊马鞍槽成为较为有效的股骨侧定位方式。然而，术中触诊马鞍槽对于缺乏经验的术者来说不易完成，且并非所有患者股骨内侧髁存在马鞍槽结构，这成为制约马鞍槽解剖定位应用的障碍。
综上，提供一种准确、高效的股骨侧定位方法，并可以应用至内侧髌股韧带重建手术，是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明为实现上述目的，提供了一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统及方法。
本发明的第一个方面是提供一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术方法，包括以下步骤：
S1：系统标定，建立三维坐标系；
S2、建立关节面三维模型，采用马鞍槽比例参考定位法在所述关节面三维模型上确定内侧髌股韧带股骨侧位置；
S3、在所述关节面三维模型上示出关节面特征点，自所述内侧髌股韧带股骨侧位置在所述三维坐标系上建立内侧髌股韧带股骨侧隧道；
S4、机械臂定位至所述内侧髌股韧带股骨侧位置，辅助导针建立内侧髌股韧带股骨侧隧道。
优选地，步骤S1中，建立所述三维坐标系具体包括以下步骤：
在关节镜下，用刚性探针选取内侧半月板最内侧点、外侧半月板最外侧点、内踝体表定位点和外踝体表定位点，经内侧半月板最内侧点和外侧半月板最外侧点两点确定X坐标轴，经内侧半月板最内侧点和外侧半月板最外侧点的中点沿小腿长轴方向作垂线确定Z轴，建立所述三维坐标系。
优选地，步骤S1中，建立所述三维坐标系具体包括以下步骤：
在骨表面植入光学标记体，用光学追踪定位系统定位，建立所述三维坐标系。
优选地，步骤S2中，所述采集特征点具体包括以下步骤：
S21、粗采建模：用刚性探针分别对股骨和胫骨关节面上进行多点采点，计算机模拟建立所述关节面三维模型；
S22、精采建模：采集内收肌结节顶点和内上髁顶点，以所述内上髁顶点为原点，以所述内收肌结节顶点出发过所述内上髁顶点的射线为X轴的正方向建立平面坐标系，以所述内收肌结节顶点(至所述内上髁顶点的距离为基准距离，所述内侧髌股韧带股骨侧位置的坐标为：(63％基准距离，40％基准距离)。
优选地，步骤S2中，所述采集特征点具体包括以下步骤：
S21、利用术前影像学资料三维重建的股骨和胫骨模型，配准得到所述关节面三维模型；
S23、精采建模：采集内收肌结节顶点和内上髁顶点，以所述内上髁顶点为原点，以自所述内收肌结节顶点出发过所述内上髁顶点的射线为轴的正方向建立平面坐标系，以所述内收肌结节顶点至所述内上髁顶点的距离为基准距离，所述内侧髌股韧带股骨侧位置的坐标为(63％基准距离，40％基准距离)。
优选地，步骤S3中，所述关节面特征点包括内收肌结节顶点和内上髁顶点。
第二方面，本发明提供一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统，采用上述方法，包括采点建模单元、机械臂定位单元和关节镜手术单元，
所述的采点建模单元包括探针、追踪器和计算机；
所述的机械臂定位单元包括一末端为空心套筒的机械臂，其与所述计算机电信号连接或通信连接；
所述的关节镜手术单元包括：关节镜和手持器械，操作者利用所述手持器械沿所述空心套筒定位方向一次性建立所述内侧髌股韧带股骨侧隧道。
优选地，所述手持器械为导针或电钻。
优选地，所述手持器械与一动力组件连接。
优选地，所述机械臂为6自由度机械臂或7自由度机械臂。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明将已投入应用的机械臂手术系统与关节镜手术器械相融合，并利用定量标定的方式，精准定位内侧髌股韧带股骨侧隧道位置，进而通过机械臂辅助操作者用一根导针一次性建立隧道，为内侧髌股韧带股骨侧隧道建立提出一种精确的、有效的、易实现的解决方案。
附图说明
图1为本发明一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位方法流程图；
图2为本发明一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统示意图；
图3为本发明马鞍槽中点示意图；
图中标记表示说明：
采点建模单元-1，探针-11、追踪器-12、计算机-13；
机械臂定位单元-2，机械臂-21，
关节镜手术单元-3，关节镜-31，手持器械-32
内收肌结节顶点-E，内上髁顶点-F，马鞍槽中点-X。
具体实施方式
本领域技术人员对马鞍槽的准确定位进行了大量研究，其中以马鞍槽比例参考定位法应用最为广泛。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马鞍槽定位的可靠保障，有助于降低手术难度、提高手术质量和新技术推广。
综上，本发明将马鞍槽比例参考定位法和机械臂辅助器械进行结合，得到本发明中一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统及方法，包括以下步骤：
S1：系统标定，建立三维坐标系
根据系统提示，用刚性探针11选取关节镜下内侧半月板最内侧点(记为点A)、外侧半月板最外侧点(记为点B)、内踝体表定位点(记为点C)和外踝体表定位点(记为点D)，经A、B两点确定X坐标轴，经CD中点沿小腿长轴作AB垂线确定Z轴，由此建立三维坐标系；
S2：建立关节面三维模型，采用马鞍槽比例参考定位法在关节面三维模型上确定内侧髌股韧带股骨侧位置
具体地，一种实施方式中，用刚性探针11分别对股骨和胫骨关节面上进行多点采点，计算机13模拟关节面效果图；另一种实施方式中，利用术前影像学资料三维重建的股骨和胫骨模型，配准得到关节面效果图。
具体地，确定内侧髌股韧带股骨侧位置的方法为：
如图3中，采集内收肌结节顶点E和内上髁顶点F，以内上髁顶点F为原点，以自内收肌结节顶点E出发过内上髁顶点F的射线为X轴的正方向建立平面坐标系，以内收肌结节顶点E至内上髁顶点F的距离为基准距离，内侧髌股韧带股骨侧位置，即马鞍槽中点X，的坐标为：(63％基准距离，40％基准距离)。
S3、在关节面三维模型上示出关节面特征点，例如收肌结节顶点E和内上髁顶点F，自内侧髌股韧带股骨侧位置在三维坐标系上建立内侧髌股韧带股骨侧隧道；
S4、机械臂21定位至内侧髌股韧带股骨侧位置，辅助导针建立内侧髌股韧带股骨侧隧道。
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1
参见图2中，本实施例提供一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统，包括采点建模单元1、机械臂定位单元2和关节镜手术单元3，
的采点建模单元包括探针11、追踪器12和计算机13，
在关节镜31直视下，用刚性探针11选取内侧半月板最内侧点A、外侧半月板最外侧点B、内踝体表定位点C、外踝体表定位点D，经由追踪器12传输给计算机13，在计算机13的配套软件中进行系统标定建立三维坐标系；
在关节镜31直视下，用刚性探针11分别对股骨和胫骨关节面上进行多点采点，经由追踪器12传输给计算机13，在上述三维坐标系中模拟建立关节面三维模型；
在关节镜31直视下，用刚性探针采集内收肌结节E和内上髁顶点F，经由追踪器12传输给计算机13，在关节面三维模型模拟出以内上髁顶点F为原点的平面坐标系，采用马鞍槽比例参考定位法在关节面三维模型上确定内侧髌股韧带股骨侧位置，即马鞍槽中点X，并在三维坐标系上以马鞍槽中点X为端点模拟建立内侧髌股韧带股骨侧隧道。
本实施例中，机械臂定位单元2包括一末端为空心套筒的七自由度的机械臂21，其与计算机33电信号连接或通信连接；计算机33将马鞍槽中点X位置传递给机械臂21，使其末端的空心套筒定位于马鞍槽中点X，医生利用电钻、导针等手持器械32沿空心套筒方向一次性建立内侧髌股韧带股骨侧隧道。
实施例2
参见图1中，本实施例提供了一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术方法，采用实施例1中系统，包括步骤：
S1、系统标定，建立三维坐标系：
根据系统提示，在关节镜31直视下，用刚性探针11选取内侧半月板最内侧点A、外侧半月板最外侧点B、内踝体表定位点C、外踝体表定位点D，经由追踪器12传输给计算机13，在计算机13的配套软件中进行系统标定建立三维坐标系；
S2、建立关节面三维模型，采用马鞍槽比例参考定位法在关节面三维模型上确定内侧髌股韧带股骨侧位置：
在系统上选择手术部位为左膝或右膝、选择手术方式为内侧髌股韧带重建，在关节镜31直视下，用刚性探针11分别对股骨和胫骨关节面上进行多点采点，经由追踪器12传输给计算机13，在上述三维坐标系中模拟建立关节面三维模型；
如图3中，在关节镜31直视下，用刚性探针采集内收肌结节E和内上髁顶点F，经由追踪器12传输给计算机13，在关节面三维模型模拟出以内上髁顶点F为原点的平面坐标系，以自内收肌结节顶点E出发过内上髁顶点F的射线为X轴的正方向建立平面坐标系，以内收肌结节顶点E至内上髁顶点F的距离为基准距离，内侧髌股韧带股骨侧位置，即马鞍槽中点X，的坐标为：(63％基准距离，40％基准距离)；
S3、在关节面三维模型上示出关节面特征点，例如收肌结节顶点E和内上髁顶点F，自内侧髌股韧带股骨侧位置在三维坐标系上建立内侧髌股韧带股骨侧隧道，术者确认基本吻合；
S4、计算机13控制机械臂21按预定直线到位，定位至内侧髌股韧带股骨侧位置，用钻头沿机械臂21的空心套筒钻出内侧髌股韧带股骨侧位置的凹槽，用导针沿机械臂21建立内侧髌股韧带股骨侧隧道。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：系统标定，建立三维坐标系；
S2、建立关节面三维模型，采用马鞍槽比例参考定位法在所述关节面三维模型上确定内侧髌股韧带股骨侧位置；
S3、在所述关节面三维模型上示出关节面特征点，自所述内侧髌股韧带股骨侧位置在所述三维坐标系上建立内侧髌股韧带股骨侧隧道；
S4、机械臂定位至所述内侧髌股韧带股骨侧位置，辅助导针建立内侧髌股韧带股骨侧隧道。
2.根据权利要求1中所述的机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术方法，其特征在于，步骤S1中，建立所述三维坐标系具体包括以下步骤：
在关节镜下，用刚性探针选取内侧半月板最内侧点、外侧半月板最外侧点、内踝体表定位点和外踝体表定位点，经内侧半月板最内侧点和外侧半月板最外侧点B两点确定X坐标轴，经内侧半月板最内侧点和外侧半月板最外侧点的中点沿小腿长轴方向作垂线确定Z轴，建立所述三维坐标系。
3.根据权利要求1中所述的机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术方法，其特征在于，步骤S1中，建立所述三维坐标系具体包括以下步骤：
在骨表面植入光学标记体，用光学追踪定位系统定位，建立所述三维坐标系。
4.根据权利要求1中所述的机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术方法，其特征在于，步骤S2中，所述采集特征点具体包括以下步骤：
S21、粗采建模：用刚性探针分别对股骨和胫骨关节面上进行多点采点，计算机模拟建立所述关节面三维模型；
S22、精采建模：采集内收肌结节顶点和内上髁顶点，以所述内上髁顶点为原点，以所述内收肌结节顶点出发过所述内上髁顶点的射线为X轴的正方向建立平面坐标系，以所述内收肌结节顶点至所述内上髁顶点的距离为基准距离，所述内侧髌股韧带股骨侧位置的坐标为：(63％基准距离，40％基准距离)。
5.根据权利要求1中所述的机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术方法，其特征在于，步骤S2中，所述采集特征点具体包括以下步骤：
S21、利用术前影像学资料三维重建的股骨和胫骨模型，配准得到所述关节面三维模型；
S23、精采建模：采集内收肌结节顶点和内上髁顶点，以所述内上髁顶点为原点，以自所述内收肌结节顶点出发过所述内上髁顶点的射线为X轴的正方向建立平面坐标系，以所述内收肌结节顶点至所述内上髁顶点的距离为基准距离，所述内侧髌股韧带股骨侧位置的坐标为(63％基准距离，40％基准距离)。
6.根据权利要求1中所述的机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术方法，其特征在于，步骤S3中，所述关节面特征点包括内收肌结节顶点和内上髁顶点。
7.一种机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统，采用如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，包括采点建模单元、机械臂定位单元和关节镜手术单元，
所述的采点建模单元包括探针、追踪器和计算机；
所述的机械臂定位单元包括一末端为空心套筒的机械臂，其与所述计算机电信号连接或通信连接；
所述的关节镜手术单元包括关节镜和手持器械，操作者利用所述手持器械沿所述空心套筒定位方向一次性建立所述内侧髌股韧带股骨侧隧道。
8.根据权利要求7中所述的机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统，其特征在于，所述手持器械为导针或电钻。
9.根据权利要求7中所述的机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统，其特征在于，所述手持器械与一动力组件连接。
10.根据权利要求7中所述的机械臂辅助的内侧髌股韧带股骨侧定位手术系统，其特征在于，所述机械臂为6自由度机械臂或7自由度机械臂。
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