CN116849686A - 计算机辅助tka矢状面股骨假体对线优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法及系统，包括：通过获取下肢动脉CT血管照影术的样本图像，进行三维建模，得到包括有第一机械轴和第二机械轴的三维股骨模型，测量三维股骨模型中的样本股骨长度和样本股骨前弓角，并基于测量结果对第一机械轴和第二机械轴构建多元线性回归模型方程，获取待处理的股骨全长X射线正侧位的X射线影像，测量X射线影像中的股骨长度和股骨前弓角，将股骨长度和股骨前弓角带入多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度。本发明能够通过X射线影像，实现对矢状面股骨假体的定制化辅助对位，提高计算机辅助全膝关节置换术的对位效率和精度，且能够降低成本和减少辐射量。
Description
技术领域
本发明涉及计算机辅助技术领域，尤其涉及一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法及系统。
背景技术
随着医学成像技术及计算机行业的发展，尤其是现代医学对精准医疗及个体化医疗的追求，使全膝关节置换术(Total knee arthroplasty，TKA)正朝着个体化、精准化、微创化、智能化的方向发展。但是目前计算机辅助系统参考股骨机械轴确定假体对线，无法充分考虑股骨矢状面解剖结构的差异。
目前改善计算机辅助全膝关节置换术股骨矢状面对线的方式主要包括以下几种：
一、使用固定屈曲角度确定矢状面股骨假体对线。通过术中设置固定股骨屈曲角度实现股骨假体与远端解剖轴的匹配。但是使用固定屈曲角度无法考虑股骨解剖形态差异，难以保证个体化方案的实现，无法恢复股骨远端解剖结构。
二、使用股骨远端前皮质确定矢状面股骨假体对线。通过术中采用集股骨远端前皮质平面确定股骨假体矢状面对线。但是，这种方式会导致股骨假体过度屈曲，影响假体使用寿命，同时股骨远端前皮质采集区域的不同也会产生较大的误差，容易产生不良结果。
三、术前通过X射线测量指导股骨假体对线。通过术前X射线测量股骨机械轴与解剖轴之间的差异，指导术中对齐。但是，术前X射线测量可能会因为肢体旋转及放大率的问题出现较大的测量误差，同时，X射线对于解剖标志点的识别存在困难，尤其是肥胖患者。
四、术前通过CT三维测量指导股骨假体对线。通过术前CT进行三维建模并测量股骨机械轴与解剖轴之间的差异，指导术中对齐。术前CT扫描需要患者接受较大剂量的辐射并伴有较高花费，同时，三维CT测量需要特定的软件，测量过程复杂，难度大。
因此，亟需一种能够实现矢状面股骨假体的定制化对位，提高对位精度和效率，降低成本的矢状面股骨假体对位优化方法。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法及系统。
一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法，包括以下步骤：获取下肢动脉CT血管照影术的样本图像，并根据所述样本图像进行三维建模，得到三维股骨模型，所述三维股骨模型包括第一机械轴和第二机械轴，所述第一机械轴为髋关节中心至髁间窝顶点，所述第二机械轴为髋关节中心至外科通髁线中点；测量所述三维股骨模型中的样本股骨长度和样本股骨前弓角，获取测量结果，并基于测量结果，分别对所述第一机械轴和第二机械轴进行多元线性回归模型方程的构建；获取待处理的股骨全长X射线正侧位的X射线影像，测量所述X射线影像中的股骨长度和股骨前弓角；其中，所述样本股骨长度和股骨长度均为大转子尖至髁间窝顶点的距离；所述样本股骨前弓角和股骨前弓角均为股骨小转子水平至小转子下方5cm连线与膝关节线近端5cm至膝关节线近端10cm连线的夹角；将所述股骨长度和股骨前弓角带入所述多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度。
在其中一个实施例中，所述第一机械轴的多元线性回归模型方程为：
θ1＝-9.79+0.158*l+0.555*α
式中，θ1为第一屈曲角，l为股骨长度，α为股骨前弓角；所述第二机械轴的多元线性回归模型方程为：
θ2＝-12.088+0.165*l+0.55*α
式中，θ2为第二屈曲角。
在其中一个实施例中，在所述分别对所述第一机械轴和第二机械轴进行多元线性回归模型方程的构建之后，在所述通过屈曲角度获取模块将所述股骨长度和股骨前弓角带入所述多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度之前，还包括：采用决定系数和估计标准误差对所述多元线性回归模型方程进行内部验证；通过计算皮尔逊相关系数对所述多元线性回归模型方程进行外部验证。
一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化系统，用于实现如上所述的计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法，包括：三维股骨模型构建模块、模型方程建立模块、参数测量模块和屈曲角度获取模块，所述三维股骨模型构建模块、模型方程建立模块、参数测量模块和屈曲角度获取模块之间通信连接；所述三维股骨模型构建模块用于获取下肢动脉CT血管照影术的样本图像，并根据所述样本图像进行三维建模，得到三维股骨模型，所述三维股骨模型包括第一机械轴和第二机械轴，所述第一机械轴为髋关节中心至髁间窝顶点，所述第二机械轴为髋关节中心至外科通髁线中点；所述模型方程建立模块用于测量所述三维股骨模型中的样本股骨长度和样本股骨前弓角，获取测量结果，并基于所述测量结果，分别对所述第一机械轴和第二机械轴进行多元线性回归模型方程的构建；所述参数测量模块用于获取待处理的股骨全长X射线正侧位的X射线影像，测量所述X射线影像中的股骨长度和股骨前弓角；其中，所述股骨长度为大转子尖至髁间窝顶点的距离，所述股骨前弓角为股骨小转子水平至小转子下方5cm连线与膝关节线近端5cm至膝关节线近端10cm连线的夹角；屈曲角度获取模块用于将所述股骨长度和股骨前弓角带入所述多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度。
在其中一个实施例中，所述系统还包括验证模块，所述验证模块与所述模型方程建立模块通信连接，用于对所述多元线性回归模型方程进行内部验证和外部验证；其中，所述内部验证采用决定系数和估计标准误差对所述多元线性回归模型方程进行验证；所述外部验证采用皮尔逊相关系数对所述多元线性回归模型方程进行验证。
相比于现有技术，本发明的优点及有益效果在于：通过获取下肢动脉CT血管照影术的样本图像，根据样本图像进行三维建模，得到包括有第一机械轴和第二机械轴的三维股骨模型，测量三维股骨模型中的样本股骨长度和样本股骨前弓角，得到测量结果，并基于测量结果分别对第一机械轴和第二机械轴构建多元线性回归模型方程，获取待处理的股骨全长X射线正侧位的X射线影像，测量X射线影像中的股骨长度和股骨前弓角，将股骨长度和股骨前弓角带入多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度，能够通过X射线影像，实现对矢状面股骨假体的定制化辅助对位，提高全膝关节置换术的对位效率和精度，且能够降低成本和减少辐射量。
附图说明
图1为一个实施例中一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法的流程示意图；
图2为一个实施例中股骨全长X射线正侧位的光学影像示意图；
图3为一个实施例中多元线性回归模型方程的外部验证效果图；
图4为一个实施例中一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化系统的结构示意图。
具体实施方式
在进行本发明具体实施方式说明之前，先对本发明的整体构思进行如下说明：
本发明主要是基于膝关节置换的过程研发的，目前全膝关节置换术中矢状面股骨假体相对于机械轴的对位方法难以实现个体化定制，对位精度低，且花费成本高。
因此，本发明提出了一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法，通过获取下肢动脉CT血管照影术的样本图像，根据样本图像进行三维建模，得到包括有第一机械轴和第二机械轴的三维股骨模型，测量三维股骨模型中的样本股骨长度和样本股骨前弓角，得到测量结果，并基于测量结果分别对第一机械轴和第二机械轴构建多元线性回归模型方程，获取待处理的股骨全长X射线正侧位的X射线影像，测量X射线影像中的股骨长度和股骨前弓角，将股骨长度和股骨前弓角带入多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度，能够通过X射线影像，实现对矢状面股骨假体的定制化辅助对位，提高全膝关节置换术的对位效率和精度，且能够降低成本和减少辐射量。
为了进一步确保多元线性回归模型方程的有效性，本发明还引入了内部验证和外部验证，采用决定系数和估计标准误差对多元线性回归模型方程进行内部验证；通过计算皮尔逊相关系数对多元线性回归模型方程进行外部验证。
介绍完本发明的整体构思后，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法，包括以下步骤：
步骤S101，获取下肢动脉CT血管照影术的样本图像，并根据样本图像进行三维建模，得到三维股骨模型，三维股骨模型包括第一机械轴和第二机械轴，第一机械轴为髋关节中心至髁间窝顶点，第二机械轴为髋关节中心至外科通髁线中点。
具体地，选择多名因下肢动脉硬化症行双下肢动脉CT血管照影术的患者，年龄限定在50-80岁，将其CTA数据作为样本图像，并根据获取的样本图像，采用Mimics软件进行三维建模，得到三维股骨模型，测量三维股骨模型中矢状面常用的两种股骨机械轴与解剖轴的差异，其中，股骨机械轴包括第一机械轴和第二机械轴。例如，解剖轴相对于第一机械轴为过伸1.78°～屈曲11.99°，平均屈曲4.38±1.97°；解剖轴相对于第二机械轴为过伸3.90°～屈曲10.04°，平均屈曲2.30±1.98°。
步骤S102，测量三维股骨模型中的样本股骨长度和样本股骨前弓角，获取测量结果，并基于测量结果，分别对第一机械轴和第二机械轴进行多元线性回归模型方程的构建。
具体地，由于股骨长度和股骨前弓角对矢状面假体对线存在显著影响，因此，可以在三维股骨模型中测量得到样本股骨长度和样本股骨前弓角，并根据测量得到的结果，分别对第一机械轴和第二机械轴构建多元线性回归模型方程。
其中，第一机械轴的多元线性回归模型方程为：
θ1＝-9.79+0.158*l+0.555*α
式中，θ1为第一屈曲角，l为股骨长度，α为股骨前弓角；第二机械轴的多元线性回归模型方程为：
θ2＝-12.088+0.165*l+0.55*α
式中，θ2为第二屈曲角。
步骤S103，获取待处理的股骨全长X射线正侧位的X射线影像，测量X射线影像中的股骨长度和股骨前弓角。
具体地，在三维股骨模型中，采用CT血管照影术的样本图像得到样本股骨长度和样本股骨前弓角，而在步骤S103中，是基于X射线影像，对股骨长度和股骨前弓角进行测量，其原因在于股骨长度和股骨前弓角两个参数在CT影像和X射线影像中的测量差异极小，综合系数原因最终误差小于1°，使得在实际应用中能够通过X射线影像直接得到股骨长度和股骨前弓角，降低了影像成本和辐射量。
如图2所示，样本股骨长度和股骨长度均为大转子尖A至髁间窝顶点B的距离l；样本股骨前弓角和股骨前弓角均为股骨小转子水平(取C点所在位置)至小转子下方5cm(取D点所在位置)连线与膝关节线近端5cm(取F点所在位置)至膝关节线10cm(取E点所在位置)连线的夹角α，α为线段CD和线段EF的夹角。
步骤S104，将股骨长度和股骨前弓角带入多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度。
具体地，由于矢状位最佳对齐目标为解剖轴，因此，解剖轴和机械轴之间夹角即为最佳屈曲角度，通过将获取股骨长度和股骨前弓角带入多元线性回归模型方程中，分别得到第一机械轴与解剖轴的最佳第一屈曲角度和第二机械轴与解剖轴的第二屈曲角度，从而能够基于两个最佳屈曲角度辅助进行矢状面股骨假体对位，提高对位精度和效率，且采用X射线光学影像即可实现最佳屈曲角度的获取，有利于进行针对性的辅助对位，降低了成本的同时减少了辐射量。
例如，在第一机械轴中，股骨长度为35cm，股骨前弓角为15°，最后相对于第一机械轴的第一屈曲角度＝-9.79+0.158*35+0.555*15，获得第一屈曲角度为4.065°。
其中，在步骤S102之后，步骤S104之前，还包括：采用决定系数和估计标准误差对多元线性回归模型方程进行内部验证；通过计算皮尔逊相关系数对多元线性回归模型方程进行外部验证。
具体地，在进行内部验证时，采用决定系数和估计标准误差来评估模型的拟合性能。在进行外部验证时，可以从医疗数据库中获取接受TKA手术患者的股骨CT数据，对多元线性回归模型方程的有效性进行评估，并通过计算皮尔逊相关系数进行验证，外部验证结果如图3所示。经过内部验证得到，第一机械轴多元线性回归模型方程的估计标准误差为0.96°，第二机械轴多元线性回归模型方程的估计标准误差为0.99°。外部验证中，第一机械轴多元线性回归模型方程的皮尔逊相关系数为r＝0.885，第二机械轴多元线性回归模型方程的皮尔逊相关系数为r＝0.879。经过内外部验证后，可以看出，两种机械轴的多元线性回归方程均具有极高的可靠性。
在本实施例中，通过获取下肢动脉CT血管照影术的样本图像，根据样本图像进行三维建模，得到包括有第一机械轴和第二机械轴的三维股骨模型，测量三维股骨模型中的样本股骨长度和样本股骨前弓角，得到测量结果，并基于测量结果分别对第一机械轴和第二机械轴构建多元线性回归模型方程，获取待处理的股骨全长X射线正侧位的X射线影像，测量X射线影像中的股骨长度和股骨前弓角，将股骨长度和股骨前弓角带入多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度，能够通过X射线影像，实现对矢状面股骨假体的定制化辅助对位，提高全膝关节置换术的对位效率和精度，且能够降低成本和减少辐射量。
如图4所示，提供了一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化系统40，用于实现如上所述的一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法，包括：三维股骨模型构建模块41、模型方程建立模块42、参数测量模块43和屈曲角度获取模块44，三维股骨模型构建模块41、模型方程建立模块42、参数测量模块43和屈曲角度获取模块44之间通信连接；其中：
三维股骨模型构建模块41用于获取下肢动脉CT血管照影术的样本图像，并根据样本图像进行三维建模，得到三维股骨模型，三维股骨模型包括第一机械轴和第二机械轴，第一机械轴为髋关节中心至髁间窝顶点，第二机械轴为髋关节中心至外科通髁线中点；
模型方程建立模块42用于测量三维股骨模型中的样本股骨长度和样本股骨前弓角，获取测量结果，并基于测量结果，分别对第一机械轴和第二机械轴进行多元线性回归模型方程的构建；
参数测量模块43用于获取待处理的股骨全长X射线正侧位的X射线影像，测量X射线影像中的股骨长度和股骨前弓角；其中，股骨长度为大转子尖至髁间窝顶点的距离，股骨前弓角为股骨小转子水平至小转子下方5cm连线与膝关节线近端5cm至膝关节线近端10cm连线的夹角；
屈曲角度获取模块44用于将股骨长度和股骨前弓角带入多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度。
在本实施例中，通过三维股骨模型构建模块41获取样本图像，并进行三维建模，得到包括有第一机械轴和第二机械轴的三维股骨模型，采用模型方程建立模块42测量三维股骨模型中的样本股骨长度和样本股骨前弓角，得到对应的测量结果，并用于分别进行第一机械轴和第二机械轴的多元线性回归模型方程的构建，通过参数测量模块43获取待处理的X射线影像，测量X射线影像中的股骨长度和股骨前弓角，采用屈曲角度获取模块44将股骨长度和股骨前弓角带入多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度，用于辅助进行矢状面股骨对位，能够基于现有的X射线影像，实现对矢状面股骨假体的定制化辅助对位，从而提高全膝关节置换术的对位效率和对位精度，且避免了CT影像造成的成本和辐射高的问题，降低了成本的同时减少了辐射量。
在一个实施例中，该系统还包括：验证模块，验证模块与模型方程建立模块通信连接，用于对多元线性回归模型方程进行内部验证和外部验证；其中，内部验证采用决定系数和估计标准误差对多元线性回归模型方程进行验证；外部验证采用皮尔逊相关系数对多元线性回归模型方程进行验证。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取下肢动脉CT血管照影术的样本图像，并根据所述样本图像进行三维建模，得到三维股骨模型，所述三维股骨模型包括第一机械轴和第二机械轴，所述第一机械轴为髋关节中心至髁间窝顶点，所述第二机械轴为髋关节中心至外科通髁线中点；
测量所述三维股骨模型中的样本股骨长度和样本股骨前弓角，获取测量结果，并基于测量结果，分别对所述第一机械轴和第二机械轴进行多元线性回归模型方程的构建；
获取待处理的股骨全长X射线正侧位的X射线影像，测量所述X射线影像中的股骨长度和股骨前弓角；
其中，所述样本股骨长度和股骨长度均为大转子尖至髁间窝顶点的距离；所述样本股骨前弓角和股骨前弓角均为股骨小转子水平至小转子下方5cm连线与膝关节线近端5cm至膝关节线近端10cm连线的夹角；
将所述股骨长度和股骨前弓角带入所述多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度。
2.根据权利要求1所述的计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法，其特征在于，所述第一机械轴的多元线性回归模型方程为：
θ1＝-9.79+0.158*l+0.555*α
式中，θ1为第一屈曲角，l为股骨长度，α为股骨前弓角；
所述第二机械轴的多元线性回归模型方程为：
θ2＝-12.088+0.165*l+0.55*α
式中，θ2为第二屈曲角。
3.根据权利要求1所述的计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法，其特征在于，在所述分别对所述第一机械轴和第二机械轴进行多元线性回归模型方程的构建之后，在所述通过屈曲角度获取模块将所述股骨长度和股骨前弓角带入所述多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度之前，还包括：
采用决定系数和估计标准误差对所述多元线性回归模型方程进行内部验证；
通过计算皮尔逊相关系数对所述多元线性回归模型方程进行外部验证。
4.一种计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-3任一项所述的计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化方法，包括：
三维股骨模型构建模块、模型方程建立模块、参数测量模块和屈曲角度获取模块，所述三维股骨模型构建模块、模型方程建立模块、参数测量模块和屈曲角度获取模块之间通信连接；
所述三维股骨模型构建模块用于获取下肢动脉CT血管照影术的样本图像，并根据所述样本图像进行三维建模，得到三维股骨模型，所述三维股骨模型包括第一机械轴和第二机械轴，所述第一机械轴为髋关节中心至髁间窝顶点，所述第二机械轴为髋关节中心至外科通髁线中点；
所述模型方程建立模块用于测量所述三维股骨模型中的样本股骨长度和样本股骨前弓角，获取测量结果，并基于所述测量结果，分别对所述第一机械轴和第二机械轴进行多元线性回归模型方程的构建；
所述参数测量模块用于获取待处理的股骨全长X射线正侧位的X射线影像，测量所述X射线影像中的股骨长度和股骨前弓角；
其中，所述股骨长度为大转子尖至髁间窝顶点的距离，所述股骨前弓角为股骨小转子水平至小转子下方5cm连线与膝关节线近端5cm至膝关节线近端10cm连线的夹角；
屈曲角度获取模块用于将所述股骨长度和股骨前弓角带入所述多元线性回归模型方程，得到对应的第一屈曲角度和第二屈曲角度。
5.根据权利要求1所述的计算机辅助TKA矢状面股骨假体对线优化系统，其特征在于，所述系统还包括验证模块，所述验证模块与所述模型方程建立模块通信连接，用于对所述多元线性回归模型方程进行内部验证和外部验证；
其中，所述内部验证采用决定系数和估计标准误差对所述多元线性回归模型方程进行验证；所述外部验证采用皮尔逊相关系数对所述多元线性回归模型方程进行验证。
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