[發(fā)明專利]全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中有限元分析確定力線平衡方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810384127.6
• 申請(qǐng)日: 2018-04-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108814777A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳小玲;竺明月;李修寒;劉志鵬;朱松盛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京醫(yī)科大學(xué)
• 主分類號(hào): A61F2/46
• 分類號(hào): A61F2/46
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 高嬌陽(yáng)

本發(fā)明公開(kāi)了一種全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中有限元分析確定力線平衡方法，在術(shù)前將健側(cè)腿部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并建模，對(duì)患者健側(cè)腿部模型進(jìn)行有限元受力分析，并在手術(shù)過(guò)程中對(duì)置換完成的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并建模，通過(guò)將健側(cè)模型鏡像對(duì)應(yīng)到患側(cè)，經(jīng)高斯?拉普拉斯金字塔法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷患側(cè)下肢力線是否處于平衡狀態(tài)，若處于非平衡狀態(tài)，通過(guò)健側(cè)腿部模型，向醫(yī)生提示適當(dāng)?shù)男薰腔蛘{(diào)節(jié)假體位置，最終使得膝關(guān)節(jié)處于平衡狀態(tài)。保持該位置不變，進(jìn)行手術(shù)縫合。本發(fā)明通過(guò)提高手術(shù)中膝關(guān)節(jié)平衡的準(zhǔn)確率，對(duì)增加患者術(shù)后假體的使用壽命，降低術(shù)后并發(fā)癥，提高患者術(shù)后生活質(zhì)量有重要作用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及臨床全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中有限元分析力線準(zhǔn)確確定方法。

背景技術(shù)

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)使用金屬、高分子聚乙烯、陶瓷等材料，根據(jù)人體關(guān)節(jié)的形態(tài)、構(gòu)造及功能制成人工膝關(guān)節(jié)假體，通過(guò)外科技術(shù)植入人體內(nèi)，緩解關(guān)節(jié)疼痛，糾正關(guān)節(jié)畸形，恢復(fù)關(guān)節(jié)功能，提高患者生活質(zhì)量。TKA常用于治療和改善嚴(yán)重的膝關(guān)節(jié)疼痛、不穩(wěn)、畸形，如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、膝骨性關(guān)節(jié)炎，少數(shù)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎等疾病，包括截骨和軟組織松解兩個(gè)步驟，最終實(shí)現(xiàn)恢復(fù)下肢力線、保持軟組織平衡，達(dá)到膝關(guān)節(jié)平衡的目的。

若術(shù)中截骨不當(dāng)或假體匹配不精確，會(huì)導(dǎo)致力線的不平衡，進(jìn)一步導(dǎo)致患者疼痛、假體磨損及松動(dòng)等問(wèn)題，最終影響患者健康和假體在患者體內(nèi)留存時(shí)間。目前醫(yī)院常參考多個(gè)人體解剖位置來(lái)使力線平衡，如使用兩踝中點(diǎn)的踝關(guān)節(jié)中心、髕骨溝中點(diǎn)、髁間切跡、股骨干下端等位置作為下肢力線的參考位置，并結(jié)合患者股骨解剖軸經(jīng)脛骨髁連線形成的F角和脛骨解剖軸經(jīng)脛骨髁連線形成的T角來(lái)確定力線平衡。該方法需結(jié)合患者X光片進(jìn)行測(cè)量繪制，且術(shù)中患者患側(cè)腿部通常因病變難以準(zhǔn)確測(cè)量F角和T角，并可能隨著人體高矮胖瘦會(huì)有所改變，個(gè)體差異極大，過(guò)程復(fù)雜。

有限元分析(FEA)是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素(即單元)，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。FEA可以有效地模擬人體下肢骨骼的受力情況，符合人體真實(shí)站立時(shí)骨骼受力。

綜上所述，利用有限元分析對(duì)TKA中力線平衡性進(jìn)行確認(rèn)，可以很好地解決當(dāng)前臨床全膝關(guān)節(jié)置換中難以確定力線平衡的情況。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明提供了一種易于操作、準(zhǔn)確度高、滿足患者個(gè)體差異的全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中力線平衡確定方法。

為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：一種全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中有限元分析確定力線平衡方法，其特征在于，包括以下內(nèi)容：

在臨床全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)前，對(duì)患者健側(cè)下肢骨骼進(jìn)行三維成像，將所得三維成像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)軟件進(jìn)行三維建模，對(duì)該模型進(jìn)行有限元分析，選取分析結(jié)果的若干位置作為參照；在術(shù)中，打開(kāi)患者膝關(guān)節(jié)，進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換，在截骨后將假體置于膝關(guān)節(jié)處，進(jìn)行三維成像并建模，對(duì)該模型進(jìn)行有限元分析，在患側(cè)有限元分析結(jié)果里選取與健側(cè)對(duì)應(yīng)的若干位置，通過(guò)判別兩側(cè)是否平衡，給出當(dāng)前力線是否準(zhǔn)確結(jié)論，根據(jù)結(jié)論進(jìn)行調(diào)整。

所述三維成像數(shù)據(jù)，可使用醫(yī)院CT、MRI等儀器采集到的骨骼三維原始數(shù)據(jù)，能反映出患者此時(shí)下肢骨骼的真實(shí)情況。

所述數(shù)據(jù)處理的方法，是由于在有限元分析中數(shù)據(jù)量極大，很多軟件會(huì)自動(dòng)消除模型上的細(xì)小差異，為避免出現(xiàn)因這種消除而造成的醫(yī)學(xué)上的差異，使用高斯-拉普拉斯圖像增強(qiáng)算法，增強(qiáng)下肢骨骼表面的差異，減少因軟件產(chǎn)生的畸變。將醫(yī)院采集到的三維成像原始數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為三維分層的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)隔層之間建立三角網(wǎng)格化模型形成表面的小單元；對(duì)形成的單元面進(jìn)行高斯-拉普拉斯金字塔處理；高斯-拉普拉斯金字塔法是對(duì)圖像的處理方法，將第k層的圖像進(jìn)行下采樣得到第k+1層的高斯圖像，將第k+1層的高斯圖像進(jìn)行上采樣并與第k層的圖像相減得到第k層的拉普拉斯圖像(預(yù)測(cè)殘差圖像)；對(duì)于第k層圖像的第i行第j列的像素點(diǎn)，作如下變換，形成第k+1層圖像：