[發明專利]膝關節置換三維空間下肢生物力線的確定方法

在審

• 申請號: 201410416464.0
• 申請日: 2014-08-22
• 公開（公告）號: CN105361883A
• 公開（公告）日: 2016-03-02
• 發明（設計）人: 方學偉;陸聲;盧秉恒;王麗莎;陳禎
• 申請（專利權）人: 方學偉
• 主分類號: A61B5/055
• 分類號: A61B5/055;A61B19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明專利將三維可視化技術與逆向工程技術（ReverseEngnieering）同數字醫學相結合，將計算機技術與機械工程學科的專業知識綜合應用到生物醫學領域，解決醫學面臨的問題。

本發明專利利用現代先進的醫療影像技術，采用3.0T核磁機掃描獲取到髖-膝-踝影像數據，利用醫學三維可視化軟件Simpleware完成下肢三段式數據的重建，在此基礎上結合逆向工程軟件Imageware、Geomagic等三維空間完成全下肢生物力線的建立。

本發明專利精確的解決了傳統膝關節置換在二維平面定位下肢生物力線的弊端，利用三維醫療影像可視化技術和逆向工程技術解決生物醫療領域面臨的難題。通過實驗驗證了三維力線下行膝關節置換的準確性，大大提高了手術精度。

背景技術

1860年由Verneil提出膝關節成形術(totalkneearthroplasty，TKA)，由于早期受材料等方面因素的影響手術失敗率比較高。在經過了一個世紀的探索之后，20世紀50年代出現了人工膝關節最早的假體。膝關節置換術，在美國由1975年的1萬例增至1990年的15萬例，在瑞典近20年置換術增加了5倍。有人估計在德國每年約人工置換5.5萬個膝關節。我國已進入老齡化社會，據國內報刊記載，65歲以上的老年人口中骨關節病發病率占80%以上并有人工膝關節置換指征，而尚未手術者估計有200萬。2002年全世界范圍內人工膝關節置換術，全年超過60萬例，這個數目現在還在增加中。

人工全膝關節置換術的成功與否及對臨床療效的影響因素研究，一直是人們關注的問題，要取得好的臨床遠期療效，對于適應癥的選擇、假體的選定、手術技巧的準確掌握及手術前的管理都很重要，尤其在很大程度上對手術技巧的要求，既要在三維空間上準確截骨、假體立體安置，實現膝關節置換術后生物力學的再復制。文獻報道除了感染、脂肪栓塞等一般并發癥之外，高達50%的早期翻修術與力線不當、假體擺位不當及關節失穩有關。因此，為了獲得更好的遠期隨訪效果，解剖重建下肢生物力線和假體旋轉軸線是人們不斷探索和追求的最終目標。

傳統全膝關節置換手術通過術前X線片檢查和術中機械導向裝置進行髓內、髓外定位截骨術者憑借肉眼、手感和經驗來定位解剖標志、下肢力線和假體旋轉軸線，然后手工劃線截骨、假體放置和軟組織平衡。這種基于肉眼對肢體和假體的觀察完成的對位、對線有很大的主觀性，直接影響了該定位方式的可靠性和手術的精確性，甚至導致手術的失敗。盡管人們不斷完善機械定位系統，提高假體植入的準確性，但系統本身固有的局限性決定了其可能達到的精度，文獻報道即使是最精細的機械定位系統，由經驗豐富的醫生運用，股骨與腔骨對線誤差超過3°的發生率也至少為10%。而且機械定位測量系統是以假想的標準化骨骼的解剖及幾何形態為基礎的，可能并不適用于某些特定病例。因此，傳統手術方法的精確度問題是困擾手術醫生的主要問題，如何提高膝關節置換的精確度，準確的建立下肢生物力線是關鍵。

發明內容

本發明專利是為了解決傳統膝關節置換過程在二維平面定位下肢生物力線的弊端，擺脫二維平面定位的主觀隨意性，提高膝關節置換的截骨定位精度，改善患者的關節生理功能。將醫學三維可視化、逆向工程技術與數字醫學相結合完成三維空間全下肢生物力線的建立。

為了解決三維空間確定下肢力線的上述問題，克服二維平面定位下肢生物力線的隨意性，提高截骨定位精度；本發明通過醫學三維可視化技術，利用3.0T核磁機獲取到下肢三段式髖-膝-踝影像數據；在此基礎上結合醫學三維可視化軟化Simplware完成下肢股骨頭-股骨遠端-脛骨近端-踝關節的三維重建。

然后結合逆向工程軟件Geomagic、Imageware等完成股骨頭中心的三維空間擬合，再根據患者的關節形態，實現膝關節空間中心的擬合。同理，完成脛骨近端及踝關節中心的擬合。

本發明專利根據擬合確定的股骨頭中心、膝關節中心、脛骨平臺中心及踝關節中心建立四點的連線，得到三維空間人體全下肢生物力線。

本發明專利在建立了下肢三維空間力線之后，為了完成整個膝關節置換還需三維確定股骨遠端旋轉軸線，通過MRI斷層影像數據在三維空間根據人體股骨遠端的解剖形態結構建立起股骨遠端假體的虛擬旋轉軸線。在此基礎上根據實際手術過程中的需求，結合Mimics醫學影像控制軟件，完成術前模擬截骨，驗證三維力線下行膝關節置換的準確性。

本發明專利在完成三維力線模擬膝關節置換截骨的過程中與骨科醫生進行交互，通過不同骨科醫生對整個模擬截骨過程的評價之后，完成整個力線的空間建立。