[發明專利]一種膝關節置換手術術前規劃方法

在審

• 申請號: 202210550039.5
• 申請日: 2022-05-20
• 公開（公告）號: CN115005977A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 馮冠元;耿帥;蔣振剛;師為禮
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10;A61B34/20;G06F17/12
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 尹慶娟

1.一種膝關節置換手術術前規劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：利用新型工程學的逆向工程技術原理，采用CT技術獲取髖關節、膝關節和踝關節的CT數據，利用CT數據構建股骨(1)和脛骨(2)的三維重建模型，將股骨(1)和脛骨(2)的三維模型分別與三維立體結構合并處理后，再分別將股骨(1)和脛骨(2)的三維重建模型去除，獲得含有股骨(1)輪廓的立方體模型和含有脛骨(2)輪廓的三維立體結構模型；

步驟二：采用三維提取方法分別提取脛骨(2)的解剖軸和股骨(1)的解剖軸，所述脛骨(2)的解剖軸和股骨(1)的解剖軸提取過程相同；提取下肢、股骨(1)以及脛骨(2)的機械軸；對股骨(1)髁植入體進行選型；

所述股骨(1)髁植入體進行選型過程為：首先，對步驟一中獲得的股骨(1)三維重建模型進行多種膝關節位置信息指標的精確測量；然后，選取股骨(1)髁數據測量值F1和F2±10mm的股骨(1)髁植入體型號，建立全新的植入體信息數據庫，通過多種膝關節形態位置信息測量指標曲線在植入體信息數據庫中尋找到最優最匹配植入體。

2.根據權利要求1所述的一種膝關節置換手術術前規劃方法，其特征在于，所述股骨(1)的解剖軸的提取過程具體為：

1)對股骨(1)的多個截骨面分別提取對應的股骨髓腔(102)中心點作為相應的骨干中心點，獲取多個骨干中心點坐標；

2)將步驟1)中獲得的多個骨干中心點坐標進行擬合獲得空間股骨解剖軸(101)線。

3.根據權利要求2所述的一種膝關節置換手術術前規劃方法，其特征在于，步驟1)中所述的提取多個股骨髓腔(102)中心點時將中每個截骨面股骨髓腔(102)進行橢圓擬合，將擬合后的橢圓的中心點作為股骨髓腔(102)中心點，其中擬合的橢圓的一般方程Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0中限定約束條件4AC-B²＞0。

4.根據權利要求2所述的一種膝關節置換手術術前規劃方法，其特征在于，步驟2)中所述的對獲得的多個骨干中心點坐標進行擬合獲得空間股骨解剖軸(101)線具體為：通過使用RANSAC和整體最小二乘算法組合來進行擬合空間直線。

5.根據權利要求1所述的一種膝關節置換手術術前規劃方法，其特征在于，所述下肢、股骨(1)以及脛骨(2)的機械軸提取過程具體為：

1)將股骨頭(103)結構擬合為球體，將擬合的球體的中心作為股骨頭中心(104)；

取股骨(1)內髁表面點和股骨(1)外髁表面點，并分別進行內髁球體擬合和外髁球體擬合，將擬合后的內髁球體和外髁球體的中心作分別為股骨(1)內髁解剖中心和股骨(1)外髁解剖中心，股骨(1)內外髁解剖中心和股骨(1)外髁解剖中心連線取中點作為膝關節中心(105)點；

踝關節中心點的提取過程為：踝關節中心點在脛骨的機械軸上，由于脛骨的解剖軸和機械軸重合，踝關節中心點可認為在脛骨的解剖軸上；分別提取脛骨內外髁表面的特征點信息，依據球體擬合算法進行脛骨內外髁球體擬合，記外髁中心點坐標為(x₁,y₁,z₁)，內髁中心點坐標為(x₂,y₂,z₂)，根據下式計算出與脛骨解剖軸相交的z軸；

最后，將此平面的空間z軸帶入到脛骨的解剖軸空間直線方程中，得到踝關節的x軸和y軸信息，求得踝關節中心點信息；

2)將步驟1)中提取到的膝關節中心(105)點與提取到的股骨頭中心(104)進行連線得到股骨機械軸(4)；將脛骨(2)的解剖軸作為脛骨機械軸(5)；將股骨頭中心(104)與踝關節中心(201)相連作為下肢機械軸(3)。

6.根據權利要求1-5中任意一項所述的一種膝關節置換手術術前規劃方法，其特征在于，所述股骨(1)髁植入體選型過程為：

1)將已有的股骨(1)髁植入體的相關參數進行提取，每個股骨(1)髁植入體提取參數F_假體1-F_假體6，建立形成股骨(1)髁植入體數據庫，其中：F_假體1和F_假體2分別對應股骨(1)髁的外側長度和股骨(1)髁的內側長度，F_假體3對應的是股骨(1)遠端F_模型3測量值，F_假體4對應股骨(1)髁外側圓半徑長度，F_假體5對應股骨(1)髁內側圓半徑長度，F_假體6兩個圓心間距離；

2)在構建的股骨(1)三維重建模型中提取參數F_模型1-F_模型6，其中：F_模型1和F_模型2分別為股骨(1)髁的外側長度和股骨(1)髁的內側長度，F_模型3表示的是兩個外切圓的距離來預測植入體的寬度，F_模型4股骨(1)髁外側圓半徑，F_模型5股骨(1)髁內側圓半徑，F_模型6兩個圓心間距；F_假體1-F_假體6與F_模型1-F_模型6一一對應對比；

3)在步驟1)中得到的股骨(1)髁植入體數據庫中選取與步驟2)中獲得的參數F_模型1和F_模型2±10mm的相配合的股骨(1)髁植入體作為初選結果；

4)在步驟3)中的初選結果里面再比對F_模型3-F_模型6的值，數值最接近的一組對應的假體作為最終選擇的股骨(1)髁植入體型號。