一种膝关节置换手术术前规划方法技术

一种膝关节置换手术术前规划方法属于计算机视觉技术领域，目的在于解决现有技术存在的下肢机械轴提取精度低以及植入体型号选择误差大的问题。本发明专利技术包括以下步骤：采用CT技术获取髋关节、膝关节和踝关节的CT数据，利用CT数据构建股骨和胫骨的三维重建模型，将股骨和胫骨的三维模型分别与三维立体结构合并处理后，再分别将股骨和胫骨的三维重建模型去除，获得含有股骨轮廓的立方体模型和含有胫骨轮廓的三维立体结构模型；采用三维提取方法分别提取胫骨的解剖轴和股骨的解剖轴，所述胫骨的解剖轴和股骨的解剖轴提取过程相同；提取下肢、股骨以及胫骨的机械轴；对股骨髁植入体进行选型。行选型。行选型。

【技术实现步骤摘要】
一种膝关节置换手术术前规划方法


[0001]本专利技术属于计算机视觉
，具体涉及一种膝关节置换手术术前规划方法。

技术介绍

[0002]随着社会老龄化，骨性关节炎已成为世界上最常见的骨关节疾病，根据世界卫生组织最新统计显示，人类由于各种原因导致的骨性关节炎数量呈现逐年倍增的趋势，当在早期诊断时，骨性关节炎可以通过非手术治疗方案进行治疗，包括物理治疗，运动以及减轻体重，还可以口服一些药物如乙酰氨基酚，所有这些非手术的治疗方法对于骨性关节炎产生的疼痛都有不同程度的削减。在骨性关节炎晚期的时候，尚无有效的骨性关节炎治疗方法，其结局多是需要进行人工关节置换术，这可以解决患者疼痛，提高生活质量，但前提是下肢解剖轴参数的精确提取指导医生进行植入体的精确放入和植入体选择合适的型号，是实现膝关节置换术后生物力学的再复制的两个重要因素。
[0003]随着影像学技术的进步，三维骨骼模型在整形外科中越来越受欢迎。在三维研究中，由于骨骼三维形状复杂，三维骨骼重建信息比二维信息更丰富，能够反映下肢相对真实的机械轴线信息，有效地解决上述一系列问题，尤其是对复杂的下肢畸形患者而言。然而，全膝关节置换手术术前计划的关注度不高，导致下肢机械轴线三维提取方法不多。其中大多数采用最小二乘法等传统的拟合方法提取机械轴，这将导致数据中的一些误差。
[0004]选取适当的植入体型号是保证全膝置换手术成功的关键因素之一。由于人们的个体化差异，商用膝关节植入体型号固定，无法针对患者个体特征进行调整。目前大多通过高价定制，才能保证植入体的契合度。但是这种方法只能满足一小部分人的需求，绝大部分人还是会采用外科医生选取的植入体型号。因此，植入体型号的选择也成为全膝置换术是否成功的关键因素之一，这对于测量符合患者的植入体尺寸有着严格的要求。股骨髁的形态较胫骨形态复杂，因此股骨髁植入体的型号选择尤为重要。全膝置换术术后的疼痛和僵硬通常与植入体尺寸有一定的关系。人们在使用较大的股骨植入体时，股骨外悬的发病率越高。然而，植入体尺寸过小可能导致假体下沉、胫股不稳定、植入体过早松动。目前临床上和研究中对于股骨髁植入体的型号选择，大多是根据传统的方法：需要满足前后径的大小，当前后径符合植入体的要求后，根据股骨髁植入体前后径的大小选择相应内外径大小的植入体型号。然而这种临床上常用的方法并不能准确预测术中所需植入体的大小，只能粗略估计可能需要的植入体尺寸。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出一种膝关节置换手术术前规划方法，解决现有技术存在的下肢机械轴提取精度低以及植入体型号选择误差大的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的一种膝关节置换手术术前规划方法包括以下步骤：
[0007]步骤一：利用新型工程学的逆向工程技术原理，采用CT技术获取髋关节、膝关节和踝关节的CT数据，利用CT数据构建股骨和胫骨的三维重建模型，将股骨和胫骨的三维模型
分别与三维立体结构合并处理后，再分别将股骨和胫骨的三维重建模型去除，获得含有股骨轮廓的立方体模型和含有胫骨轮廓的三维立体结构模型；
[0008]步骤二：采用三维提取方法分别提取胫骨的解剖轴和股骨的解剖轴，所述胫骨的解剖轴和股骨的解剖轴提取过程相同；提取下肢、股骨以及胫骨的机械轴；对股骨髁植入体进行选型；
[0009]所述股骨髁植入体进行选型过程为：首先，对步骤一中获得的股骨三维重建模型进行多种膝关节位置信息指标的精确测量；然后，选取股骨髁数据测量值F1和F2
±
10mm的股骨髁植入体型号，建立全新的植入体信息数据库，通过多种膝关节形态位置信息测量指标曲线在植入体信息数据库中寻找到最优最匹配植入体。
[0010]所述股骨的解剖轴的提取过程具体为：
[0011]1)对股骨的多个截骨面分别提取对应的股骨髓腔中心点作为相应的骨干中心点，获取多个骨干中心点坐标；
[0012]2)将步骤1)中获得的多个骨干中心点坐标进行拟合获得空间股骨解剖轴线。
[0013]步骤1)中所述的提取多个股骨髓腔中心点时将中每个截骨面股骨髓腔进行椭圆拟合，将拟合后的椭圆的中心点作为股骨髓腔中心点，其中拟合的椭圆的一般方程Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F＝0中限定约束条件4AC
‑
B2＞0。
[0014]步骤2)中所述的对获得的多个骨干中心点坐标进行拟合获得空间股骨解剖轴线具体为：通过使用RANSAC和整体最小二乘算法组合来进行拟合空间直线。
[0015]所述下肢、股骨以及胫骨的机械轴提取过程具体为：
[0016]1)将股骨头结构拟合为球体，将拟合的球体的中心作为股骨头中心；
[0017]取股骨内髁表面点和股骨外髁表面点，并分别进行内髁球体拟合和外髁球体拟合，将拟合后的内髁球体和外髁球体的中心作分别为股骨内髁解剖中心和股骨外髁解剖中心，股骨内外髁解剖中心和股骨外髁解剖中心连线取中点作为膝关节中心点；
[0018]踝关节中心点的提取过程为：踝关节中心点在胫骨的机械轴上，由于胫骨的解剖轴和机械轴重合，踝关节中心点可认为在胫骨的解剖轴上；分别提取胫骨内外髁表面的特征点信息，依据球体拟合算法进行胫骨内外髁球体拟合，记外髁中心点坐标为(x1,y1,z1)，内髁中心点坐标为(x2,y2,z2)，根据下式计算出与胫骨解剖轴相交的z轴；
[0019][0020]最后，将此平面的空间z轴带入到胫骨的解剖轴空间直线方程中，得到踝关节的x轴和y轴信息，求得踝关节中心点信息；
[0021]2)将步骤1)中提取到的膝关节中心点与提取到的股骨头中心进行连线得到股骨机械轴；将胫骨的解剖轴作为胫骨机械轴；将股骨头中心与踝关节中心相连作为下肢机械轴。
[0022]所述股骨髁植入体选型过程为：
[0023]1)将已有的股骨髁植入体的相关参数进行提取，每个股骨髁植入体提取参数F
假体1‑
F
假体
6，建立形成股骨髁植入体数据库，其中：F
假体
1和F
假体
2分别对应股骨髁的外侧长度和股骨髁的内侧长度，F
假体
3对应的是股骨远端F
模型
3测量值，F
假体
4对应股骨髁外侧圆半径长度，F
假体
5对应股骨髁内侧圆半径长度，F
假体
6两个圆心间距离；
[0024]2)在构建的股骨三维重建模型中提取参数F
模型1‑
F
模型
6，其中：F
模型
1和F
模型
2分别为股骨髁的外侧长度和股骨髁的内侧长度，F
模型
3表示的是两个外切圆的距离来预测植入体的宽度，F
模型
4股骨髁外侧圆半径，F
模型
5股骨髁内侧圆半径，F
模型
6两个圆心间距；F
假体1‑
F
假体
6与F
模型1‑
F
模型...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膝关节置换手术术前规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用新型工程学的逆向工程技术原理，采用CT技术获取髋关节、膝关节和踝关节的CT数据，利用CT数据构建股骨(1)和胫骨(2)的三维重建模型，将股骨(1)和胫骨(2)的三维模型分别与三维立体结构合并处理后，再分别将股骨(1)和胫骨(2)的三维重建模型去除，获得含有股骨(1)轮廓的立方体模型和含有胫骨(2)轮廓的三维立体结构模型；步骤二：采用三维提取方法分别提取胫骨(2)的解剖轴和股骨(1)的解剖轴，所述胫骨(2)的解剖轴和股骨(1)的解剖轴提取过程相同；提取下肢、股骨(1)以及胫骨(2)的机械轴；对股骨(1)髁植入体进行选型；所述股骨(1)髁植入体进行选型过程为：首先，对步骤一中获得的股骨(1)三维重建模型进行多种膝关节位置信息指标的精确测量；然后，选取股骨(1)髁数据测量值F1和F2
±
10mm的股骨(1)髁植入体型号，建立全新的植入体信息数据库，通过多种膝关节形态位置信息测量指标曲线在植入体信息数据库中寻找到最优最匹配植入体。2.根据权利要求1所述的一种膝关节置换手术术前规划方法，其特征在于，所述股骨(1)的解剖轴的提取过程具体为：1)对股骨(1)的多个截骨面分别提取对应的股骨髓腔(102)中心点作为相应的骨干中心点，获取多个骨干中心点坐标；2)将步骤1)中获得的多个骨干中心点坐标进行拟合获得空间股骨解剖轴(101)线。3.根据权利要求2所述的一种膝关节置换手术术前规划方法，其特征在于，步骤1)中所述的提取多个股骨髓腔(102)中心点时将中每个截骨面股骨髓腔(102)进行椭圆拟合，将拟合后的椭圆的中心点作为股骨髓腔(102)中心点，其中拟合的椭圆的一般方程Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F＝0中限定约束条件4AC
‑
B2＞0。4.根据权利要求2所述的一种膝关节置换手术术前规划方法，其特征在于，步骤2)中所述的对获得的多个骨干中心点坐标进行拟合获得空间股骨解剖轴(101)线具体为：通过使用RANSAC和整体最小二乘算法组合来进行拟合空间直线。5.根据权利要求1所述的一种膝关节置换手术术前规划方法，其特征在于，所述下肢、股骨(1)以及胫骨(2)的机械轴提取过程具体为：1)将股骨头(103)结构拟合为球体，将拟合的球体的中心作为股骨头中心(104)；取股骨(1)内髁表面点和股骨(1)外髁表面点，并分别进行内髁球体拟合和外髁球体拟合，将拟合后的内髁球体和外髁球体的中心作分别为股骨(1)内髁解剖中心和股骨(1)外髁解剖中心，股骨(1)内外髁解剖中心和股骨(1)外髁解剖中心连线取中点作为膝关节中心(105)点；踝关节中心点的提取过程为：踝关节中心点在胫骨的机械轴上，由于胫骨的解剖轴和机械轴重合，踝关节中心点可认为在...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯冠元，耿帅，蒋振刚，师为礼，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：