CN113616273A - 一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法及系统，包括以下步骤：步骤1，获取影像学数据；步骤2：获取人体运动学数据；步骤3：建立个体化骨肌多体动力学模型；步骤4：获得假体安装位置的安全范围，确定手术定位块定位孔的设计位置；步骤5：通过参数优化或调整实现定位块的个体化建模；步骤6：得到与目标膝关节几何形状相匹配的定位块；步骤7：获得个体化定位块的定位孔进行参数化调整；步骤8：个体化定位块的3D打印制造。本发明设计的个体化定位块，针对性强，精度更高，设计依据更明确。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械设计技术领域，特别涉及一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法及系统。
背景技术
人工膝关节是治疗终末期膝关节骨关节炎最成功的骨科医疗器械产品，已被广泛用于置换已损坏的关节组织，以帮助患者消除疼痛和恢复日常活动功能。但是，众所周知，聚乙烯衬垫的磨损及磨损颗粒导致的无菌性松动是导致人工关节术后翻修的主要临床失效模式，是限制患者体内人工关节寿命和功能的世界性难题。自1950年发展至今，人工膝关节的手术安装精度已超越假体的材料和设计，成为直接影响人工膝关节磨损和松动失效最关键的因素。
人工膝关节的手术安装精度直接取决于术中医生对患者膝关节的定位截骨精度。所以，膝关节置换截骨器械的放置位置显得尤为重要。随着3D打印技术的发展，定制化的定位截骨器械开始被开发用于临床手术。但是，目前定位块的设计主要根据患者的膝关节解剖特征为基础而设计，定位孔的确定主要基于医生的手术规划经验。定位块的设计没有考虑到个体化的生物力学条件和步态特征等因素。最终导致定位块的精准定位优势没有发挥出来，临床效果不明显。因此，基于个体化患者步态运动学和膝关节生物力学等信息，建立一种个体化人工膝关节精准置换的定位块数字化设计方法是亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法及系统，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法，包括以下步骤：
步骤1，获取影像学数据，采集下肢全长的CT数据，通过断层数据处理软件建立下肢骨的三维几何模型，导出STL文件；
步骤2：获取人体运动学数据，通过运动捕捉系统来采集步态运动信息和足底反作用力信息，将光学摄像机和测力板采集的参数以C3D格式文件获得；
步骤3：根据步骤1和步骤2中下肢骨的三维几何模型和人体运动学数据，基于轮廓特征拾取技术、个体化骨骼肌肉缩放技术和逆向运动学分析技术，建立个体化骨肌多体动力学模型；
步骤4：在个体化骨肌多体动力学模型模拟定位截骨安装，在动态步态运动仿真过程中分析人工膝关节的不同定位位置所产生的生物力学和运动学响应，获得假体安装位置的安全范围，确定手术定位块定位孔的设计位置；
步骤5：基于人体下肢骨骼的统计模型库，建立了通用的下肢骨骼几何三维模型，针对通用模型的膝关节设计参数化的定位块，通过参数优化或调整实现定位块的个体化建模；
步骤6：基于步骤1中建立的个体化患者下肢骨几何模型，利用形状统计分析方法缩放通用模型，根据缩放后的通用模型几何形状的相关参数调整步骤5中设计的参数化定位块的定位面以得到与目标膝关节几何形状相匹配的定位块；
步骤7：根据步骤4获得的定位块定位孔的设计位置，进一步对步骤6中获得个体化定位块的定位孔进行参数化调整；
步骤8：个体化定位块的3D打印制造。
进一步的，在步骤1中，CT或MRI数据以DICOM格式文件保存。
进一步的，步骤1中采集对象采用平躺姿态，扫描方向从头到脚，扫描层厚建议0.625mm，同时记录扫描设备型号、扫描电压、扫描电流参数。
进一步的，在步骤2中，采用Vicon三维步态分析系统进行人体行走过程中的运动学数据采集和处理；在人体运动采集过程中，在人体骨骼解剖特征的皮肤表面粘贴反光Marker点，利用10台反光摄像机(采集频率100Hz)；Vicon三维步态分析系统捕捉每个Marker点的三维坐标，测量足底反作用力，并通过MX Giganet数据转换控制台用以实现信号同步和连接到PC电脑。
进一步的，具体的：Vicon三维步态分析系统包括反光Marker点、10台光学反光摄像机、MX Giganet数据转换控制台、电脑、MXT型标定架、三块AMTI Gen5/Optima测力台和Vicon Nexus 1.8.5软件；人体运动采集过程中，在人体骨骼解剖特征的皮肤表面粘贴反光Marker点，利用10台反光摄像机捕捉每个Marker点的三维坐标，三块AMTI Gen5/Optima测力台测量足底反作用力，并通过MX Giganet数据转换控制台用以实现信号同步和连接到PC电脑；利用Vicon Nexus 1.8.5软件可以导出C3D格式的文件进行数据储存。
进一步的，在步骤3中，获取人体下肢骨骼模型之后，采用先进的骨变形缩放技术将通用模型的骨骼几何缩放成个体化下肢骨形状，同时定义在骨骼表面的肌肉附着点被利用一个非线性径向基函数RBF的插值框架缩放；定义一个仿射转换来将最初的统计学骨骼模型缩放成个体化的骨骼；基于上述仿射转换定义一个3角谐波RBF缩放方程；在每个骨骼映射缩放时，在骨骼周围定义了一个边界框；最后，基于先前使用的骨标点定义一个反向刚性转换，将缩放后的骨骼几何从患者数据的参考坐标系下转换到Anybody骨肌系统的参考坐标系下；缩放所用的RBF缩放方程如下：
φ(r)＝r3
其中，cj是RBF函数φ的系数，是根据目标骨和被缩放骨的骨标计算而来的；q是多项式p的阶数；
在模型骨骼体节缩放的同时，附着在骨骼上肌肉的附着点和几何形状也根据一个线性的几何缩放定理被缩放：
s＝Sp+t
其中，s为被缩放后的点，S为缩放矩阵，p为初始点，t是空间偏移量；
长度参数控制骨骼轴向尺寸的缩放，其他方向根据体重和脂肪参数按比例缩放。脂肪比例根据公式计算：
BMI＝BodyMass/(bodyheight^2)
FatPercent＝(-0.09+0.0149*BMI-0.00009*BMI^2)*100。
进一步的，在步骤3、4中，在Anybody软件中根据个体患者的个体化下肢骨的三维几何特征、个体化步态运动学信息和人工膝关节置换的手术规划，建立人工膝关节置换的个体化骨肌多体动力学模型，基于逆向运动学分析技术求解人体关节的运动学，基于逆向动力学分析技术求解人体关节的接触力学和周围肌肉的作用。
进一步的，一种人工膝关节精准置换的定位块制造系统，包括：
影像学数据获取模块，用于获取影像学数据，采集下肢全长的CT数据，通过断层数据处理软件建立下肢骨的三维几何模型，导出STL文件；
人体运动学数据获取模块，用于获取人体运动学数据，通过运动捕捉系统来采集步态运动信息和足底反作用力信息，将光学摄像机和测力板采集的参数以C3D格式文件获得；
个体化骨肌多体动力学模型建立模块，用于根据步骤1和步骤2中下肢骨的三维几何模型和人体运动学数据，基于轮廓特征拾取技术、个体化骨骼肌肉缩放技术和逆向运动学分析技术，建立个体化骨肌多体动力学模型；
假体安装位置获得模块，用于在个体化骨肌多体动力学模型模拟定位截骨安装，在动态步态运动仿真过程中分析人工膝关节的不同定位位置所产生的生物力学和运动学响应，获得假体安装位置的安全范围，确定手术定位块定位孔的设计位置；
参数优化模块，用于基于人体下肢骨骼的统计模型库，建立了通用的下肢骨骼几何三维模型，针对通用模型的膝关节设计参数化的定位块，通过参数优化或调整实现定位块的个体化建模；
定位块获取模块，用于基于步骤1中建立的个体化患者下肢骨几何模型，利用形状统计分析方法缩放通用模型，根据缩放后的通用模型几何形状的相关参数调整步骤5中设计的参数化定位块的定位面以得到与目标膝关节几何形状相匹配的定位块；
参数二次优化模块，根据步骤4获得的定位块定位孔的设计位置，进一步对步骤6中获得个体化定位块的定位孔进行参数化调整；
打印模块，用于个体化定位块的3D打印制造。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
1.本发明揭示了患者因素与定位块设计之间的内在映射关系，基于患者的个体化影像学数据和步态运动学数据，利用骨肌多体动力学仿真技术，通过人工膝关节的生物力学和运动学响应，明确了个体化定位块定位孔的设计位置，为人工膝关节精准置换提供了途径，为个体化定位块的精准设计提供了手段。基于本发明设计的个体化定位块，针对性强，精度更高，设计依据更明确。
2.本发明基于所建立的参数化定位块模型，针对个体化患者下肢骨几何模型和仿真计算获得的定位块定位孔的设计位置，通过参数调整或优化能够快速实现个体化定位块的设计，大大缩短了定位块设计的周期，提高了定位块设计的时效性。
3.本发明是依据个体化患者的影像学、运动学和体内关节生物力学信息而建立的，个体化定位块的界面匹配性和定位孔的精准性大大降低了定位误差带来的患者人工膝关节失效风险。以此来计算出膝关节假体最合适的安装定位位置，从而设计出相对应的个体化定位块，相对于传统的定位块的固定位置，本发明的个体化定位块更适合病人的生理特征，减少病人在日常运动中产生的不适感和受力不均等现象，避免了术后假体出现偏移需要再次进行手术修复的情况，极大的减少了术后并发症的出现。
附图说明
图1为本发明数字化设计方法流程图
图2为步骤2中步态测量maker点标记参考位置
图3为步骤3中建立的人工膝关节置换的个体化骨肌多体动力学模型
图4图5为人工膝关节置换的个体化定位块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，应当理解，此处所描述的实施案例仅用于说明和解释本发明，但本发明的实施方式不仅限于此。
以一个患者的人工膝关节置换的个体化定位块设计为例，实施方法如下：
步骤1：首先针对个体化患者获取影像学数据，采集病人下肢全长CT数据，采集设备GE Discovery VCT，采集对象采用平躺姿态，扫描方向从头到脚，扫描层厚0.625mm，扫描电压120mV，扫描电流350mA。通过Mimics(Version 16.0，Materialise,比利时)软件建立下肢骨骼股骨和胫骨的三维模型。
步骤2：针对个体化患者获取人体运动学数据，通过Vicon运动捕捉系统来采集病人的步态运动信息和足底反作用力信息，将光学摄像机和测力板采集的参数以C3D格式文件获得。采集病人的步态信息时，获取病人的身高、体重和年龄信息，在病人身体上粘贴若干如图2位置的反光Marker点，在人体运动过程中，利用10台反光摄像机(采集频率100Hz)捕捉每个Marker点的三维坐标，三块AMTI Gen5/Optima测力台(采集频率1000Hz)测量足底反作用力，并通过MX Giganet数据转换控制台用以实现信号同步和连接到PC电脑。ViconNexus 1.8.5软件可以导出C3D格式的文件进行数据储存。
步骤3：根据步骤1和步骤2中患者的个体化下肢骨的三维几何特征和个体化步态运动学信息，基于轮廓特征拾取技术、个体化骨骼肌肉缩放技术和逆向运动学分析技术，建立个体化骨肌多体动力学模型。采用先进的骨变形缩放技术将通用模型的骨骼几何缩放成个体化下肢骨形状。基于这些选取的骨标点信息，定义一个仿射转换来将最初的统计学骨骼模型(被缩放骨)缩放成个体化患者的骨骼(目标骨)。基于上述仿射转换定义一个3角谐波RBF缩放方程。为了避免RBF方程外推特性差，在每个骨骼映射缩放时，在骨骼周围定义了一个边界框来取得较好的效果。最后，基于先前使用的骨标点定义一个反向刚性转换，将缩放后的骨骼几何从患者数据的参考坐标系下转换到Anybody骨肌系统的参考坐标系下。
在模型骨骼体节缩放的同时，附着在骨骼上肌肉的附着点和几何形状也根据一个线性的几何缩放定理被缩放。根据体节外部测量的ScalingLengthMassFatExt骨骼缩放准则，体重和脂肪比例在缩放中被考虑。
步骤4：基于临床医生的膝关节置换手术规划经验和假体型号，在个体化骨肌多体动力学模型模拟定位安装，得出胫骨和股骨截骨量、外翻角、外旋角、后倾角、屈伸间隙等值；在Anybody中在动态步态运动仿真过程中分析人工膝关节不同定位位置的人工膝关节生物力学和运动学响应，获得假体安装位置的安全范围，确定手术定位块定位孔的设计位置，明确个体化定位块定位孔的设计依据。
步骤5：针对通用模型的膝关节设计了参数化的定位块，可通过参数优化或调整实现定位块的个体化快速建模。基于人体下肢和自然膝关节的CT或MRI核磁样本数据，利用形状统计分析方法建立了通用的下肢骨骼几何三维模型，然后在solidworks2016中设计出膝关节置换的参数化定位块。参数化定位块可以根据不同个体化患者膝关节的相关参数进行调整得到符合目标膝关节的定位块。
步骤6：基于步骤1中建立的个体化患者下肢骨几何模型，利用骨变形缩放技术通用模型，根据个体患者的膝关节几何形状的相关参数调整步骤5中设计的参数化定位块的定位面以得到与目标膝关节几何形状相匹配的定位块。
步骤7：根据步骤4获得的定位块定位孔的设计位置，进一步对步骤6中获得个体化定位块的定位孔进行参数化调整，以获得可用于患者人工膝关节精准置换的个体化定位块，既满足了定位块与患者膝关节几何的精准匹配，又满足了定位块定位孔的精准定位，为后续的人工膝关节精准截骨奠定基础。
步骤8：将所设计的个体化手术定位截骨器械的三维CAD模型，以STL文件格式传送至3D打印机进行快速成型制造。3D打印患者的膝关节局部模型，对手术定位块与患者膝关节解剖几何匹配性和人工膝关节安装定位精度进行体外模拟试验。通过体外实验结果与三维数字定位截骨规划方案对比，确保个体化手术定位截骨器械的设计可靠性、使用便捷性以及人工膝关节定位的精准性。
Claims (8)
1.一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取影像学数据，采集下肢全长的CT/MRI数据，通过断层数据处理软件建立下肢骨的三维几何模型，导出STL文件；
步骤2：获取人体运动学数据，通过运动捕捉系统来采集步态运动信息和足底反作用力信息，将光学摄像机和测力板采集的参数以C3D格式文件获得；
步骤3：根据步骤1和步骤2中下肢骨的三维几何模型和人体运动学数据，基于轮廓特征拾取技术、个体化骨骼肌肉缩放技术和逆向运动学分析技术，建立个体化骨肌多体动力学模型；
步骤4：在个体化骨肌多体动力学模型模拟定位截骨安装，在动态步态运动仿真过程中分析人工膝关节的不同定位位置所产生的生物力学和运动学响应，获得假体安装位置的安全范围，确定手术定位块定位孔的设计位置；
步骤5：基于人体下肢骨骼的统计模型库，建立了通用的下肢骨骼几何三维模型，针对通用模型的膝关节设计参数化的定位块，通过参数优化或调整实现定位块的个体化建模；
步骤6：基于步骤1中建立的个体化患者下肢骨几何模型，利用形状统计分析方法缩放通用模型，根据缩放后的通用模型几何形状的相关参数调整步骤5中设计的参数化定位块的定位面以得到与目标膝关节几何形状相匹配的定位块；
步骤7：根据步骤4获得的定位块定位孔的设计位置，进一步对步骤6中获得个体化定位块的定位孔进行参数化调整；
步骤8：个体化定位块的3D打印制造。
2.根据权利要求1所述的一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法，其特征在于，在步骤1中，CT或MRI数据以DICOM格式文件保存。
3.根据权利要求1所述的一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法，其特征在于，步骤1中采集对象采用平躺姿态，扫描方向从头到脚，扫描层厚建议0.625mm，同时记录扫描设备型号、扫描电压、扫描电流参数。
4.根据权利要求1所述的一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法，其特征在于，在步骤2中，采用Vicon三维步态分析系统进行人体行走过程中的运动学数据采集和处理；在人体运动采集过程中，在人体骨骼解剖特征的皮肤表面粘贴反光Marker点，利用10台反光摄像机(采集频率100Hz)；Vicon三维步态分析系统捕捉每个Marker点的三维坐标，测量足底反作用力，并通过MX Giganet数据转换控制台用以实现信号同步和连接到PC电脑。
5.根据权利要求4所述的一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法，其特征在于，具体的：Vicon三维步态分析系统包括反光Marker点、10台光学反光摄像机、MX Giganet数据转换控制台、电脑、MXT型标定架、三块AMTI Gen5/Optima测力台和Vicon Nexus 1.8.5软件；人体运动采集过程中，在人体骨骼解剖特征的皮肤表面粘贴反光Marker点，利用10台反光摄像机捕捉每个Marker点的三维坐标，三块AMTI Gen5/Optima测力台测量足底反作用力，并通过MX Giganet数据转换控制台用以实现信号同步和连接到PC电脑；利用ViconNexus 1.8.5软件可以导出C3D格式的文件进行数据储存。
6.根据权利要求1所述的一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法，其特征在于，在步骤3中，获取人体下肢骨骼模型之后，采用先进的骨变形缩放技术将通用模型的骨骼几何缩放成个体化下肢骨形状，同时定义在骨骼表面的肌肉附着点被利用一个非线性径向基函数RBF的插值框架缩放；定义一个仿射转换来将最初的统计学骨骼模型缩放成个体化的骨骼；基于上述仿射转换定义一个3角谐波RBF缩放方程；在每个骨骼映射缩放时，在骨骼周围定义了一个边界框；最后，基于先前使用的骨标点定义一个反向刚性转换，将缩放后的骨骼几何从患者数据的参考坐标系下转换到Anybody骨肌系统的参考坐标系下；缩放所用的RBF缩放方程如下：
φ(r)＝r3
其中，cj是RBF函数φ的系数，是根据目标骨和被缩放骨的骨标计算而来的；q是多项式p的阶数；
在模型骨骼体节缩放的同时，附着在骨骼上肌肉的附着点和几何形状也根据一个线性的几何缩放定理被缩放：
s＝Sp+t
其中，s为被缩放后的点，S为缩放矩阵，p为初始点，t是空间偏移量；
长度参数控制骨骼轴向尺寸的缩放，其他方向根据体重和脂肪参数按比例缩放；脂肪比例根据公式计算：
BMI＝BodyMass/(bodyheight^2)
FatPercent＝(-0.09+0.0149*BMI-0.00009*BMI^2)*100。
7.根据权利要求1所述的一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法，其特征在于，在步骤3、4中，在Anybody软件中根据个体患者的个体化下肢骨的三维几何特征、个体化步态运动学信息和人工膝关节置换的手术规划，建立人工膝关节置换的个体化骨肌多体动力学模型，基于逆向运动学分析技术求解人体关节的运动学，基于逆向动力学分析技术求解人体关节的接触力学和周围肌肉的作用。
8.一种人工膝关节精准置换的定位块制造系统，其特征在于，基于权利要求1至7任意一项所述的一种人工膝关节精准置换的定位块制造方法，包括：
影像学数据获取模块，用于获取影像学数据，采集下肢全长的CT数据，通过断层数据处理软件建立下肢骨的三维几何模型，导出STL文件；
人体运动学数据获取模块，用于获取人体运动学数据，通过运动捕捉系统来采集步态运动信息和足底反作用力信息，将光学摄像机和测力板采集的参数以C3D格式文件获得；
个体化骨肌多体动力学模型建立模块，用于根据步骤1和步骤2中下肢骨的三维几何模型和人体运动学数据，基于轮廓特征拾取技术、个体化骨骼肌肉缩放技术和逆向运动学分析技术，建立个体化骨肌多体动力学模型；
假体安装位置获得模块，用于在个体化骨肌多体动力学模型模拟定位截骨安装，在动态步态运动仿真过程中分析人工膝关节的不同定位位置所产生的生物力学和运动学响应，获得假体安装位置的安全范围，确定手术定位块定位孔的设计位置；
参数优化模块，用于基于人体下肢骨骼的统计模型库，建立了通用的下肢骨骼几何三维模型，针对通用模型的膝关节设计参数化的定位块，通过参数优化或调整实现定位块的个体化建模；
定位块获取模块，用于基于步骤1中建立的个体化患者下肢骨几何模型，利用形状统计分析方法缩放通用模型，根据缩放后的通用模型几何形状的相关参数调整步骤5中设计的参数化定位块的定位面以得到与目标膝关节几何形状相匹配的定位块；
参数二次优化模块，根据步骤4获得的定位块定位孔的设计位置，进一步对步骤6中获得个体化定位块的定位孔进行参数化调整；
打印模块，用于个体化定位块的3D打印制造。
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