全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法技术

技术编号:19461170 阅读:44 留言:0更新日期:2018-11-17 02:31
本发明专利技术公开了一种全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法,在术前将健侧腿部进行数据采集并建模,对患者健侧腿部模型进行有限元受力分析,并在手术过程中对置换完成的膝关节进行数据采集并建模,通过将健侧模型镜像对应到患侧,经高斯‑拉普拉斯金字塔法进行数据分析,判断患侧下肢力线是否处于平衡状态,若处于非平衡状态,通过健侧腿部模型,向医生提示适当的修骨或调节假体位置,最终使得膝关节处于平衡状态。保持该位置不变,进行手术缝合。本发明专利技术通过提高手术中膝关节平衡的准确率,对增加患者术后假体的使用寿命,降低术后并发症,提高患者术后生活质量有重要作用。

【技术实现步骤摘要】
全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法
本专利技术涉及临床全膝关节置换术领域,尤其涉及全膝关节置换术中有限元分析力线准确确定方法。
技术介绍
全膝关节置换术(TKA)使用金属、高分子聚乙烯、陶瓷等材料,根据人体关节的形态、构造及功能制成人工膝关节假体,通过外科技术植入人体内,缓解关节疼痛,纠正关节畸形,恢复关节功能,提高患者生活质量。TKA常用于治疗和改善严重的膝关节疼痛、不稳、畸形,如类风湿性关节炎、膝骨性关节炎,少数创伤性关节炎等疾病,包括截骨和软组织松解两个步骤,最终实现恢复下肢力线、保持软组织平衡,达到膝关节平衡的目的。若术中截骨不当或假体匹配不精确,会导致力线的不平衡,进一步导致患者疼痛、假体磨损及松动等问题,最终影响患者健康和假体在患者体内留存时间。目前医院常参考多个人体解剖位置来使力线平衡,如使用两踝中点的踝关节中心、髌骨沟中点、髁间切迹、股骨干下端等位置作为下肢力线的参考位置,并结合患者股骨解剖轴经胫骨髁连线形成的F角和胫骨解剖轴经胫骨髁连线形成的T角来确定力线平衡。该方法需结合患者X光片进行测量绘制,且术中患者患侧腿部通常因病变难以准确测量F角和T角,并可能随着人体高矮胖瘦会有所改变,个体差异极大,过程复杂。有限元分析(FEA)是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元),就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。FEA可以有效地模拟人体下肢骨骼的受力情况,符合人体真实站立时骨骼受力。综上所述,利用有限元分析对TKA中力线平衡性进行确认,可以很好地解决当前临床全膝关节置换中难以确定力线平衡的情况。
技术实现思路
针对现有技术本专利技术提供了一种易于操作、准确度高、满足患者个体差异的全膝关节置换术中力线平衡确定方法。为了解决以上问题,本专利技术采用了如下技术方案:一种全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法,其特征在于,包括以下内容:在临床全膝关节置换手术前,对患者健侧下肢骨骼进行三维成像,将所得三维成像数据进行数据处理,并通过软件进行三维建模,对该模型进行有限元分析,选取分析结果的若干位置作为参照;在术中,打开患者膝关节,进行全膝关节置换,在截骨后将假体置于膝关节处,进行三维成像并建模,对该模型进行有限元分析,在患侧有限元分析结果里选取与健侧对应的若干位置,通过判别两侧是否平衡,给出当前力线是否准确结论,根据结论进行调整。所述三维成像数据,可使用医院CT、MRI等仪器采集到的骨骼三维原始数据,能反映出患者此时下肢骨骼的真实情况。所述数据处理的方法,是由于在有限元分析中数据量极大,很多软件会自动消除模型上的细小差异,为避免出现因这种消除而造成的医学上的差异,使用高斯-拉普拉斯图像增强算法,增强下肢骨骼表面的差异,减少因软件产生的畸变。将医院采集到的三维成像原始数据,转化为三维分层的点云数据,通过隔层之间建立三角网格化模型形成表面的小单元;对形成的单元面进行高斯-拉普拉斯金字塔处理;高斯-拉普拉斯金字塔法是对图像的处理方法,将第k层的图像进行下采样得到第k+1层的高斯图像,将第k+1层的高斯图像进行上采样并与第k层的图像相减得到第k层的拉普拉斯图像(预测残差图像);对于第k层图像的第i行第j列的像素点,作如下变换,形成第k+1层图像:其中,W(m,k)=W(m)*W(k)是长度为5的卷积核,m为卷积计算过程中的变化值;将得到的高斯图像和拉普拉斯图像叠加内插延展,其延展公式为:通过这一过程可实现图像的增强,尤其是边缘部分,利于有限元分析的使用。所述三维建模的方法,是将医院采集到的三维成像原始数据,通过三维建模软件分层叠加,建立模型,最终得到完整的模拟下肢骨骼。所述有限元分析的方法,是将两侧骨骼的三维模型,通过在有限元分析软件上确定受力点、受力大小及方向,模拟下肢骨骼在当前状态下站立时受力情况,并给出各个位置上的受力大小及方向。所述平衡的判别方法,是将健侧有限元分析结果镜像到患侧,与术中患侧有限元分析结果相比较,在满足基本无差异的匹配条件时确定其平衡。基本无差异的平衡判定方法为:对于健侧受力分析结果里的第n个参考点,在该点处受力大小为Fn,在患侧相同位置的第n个参考点,在该点处受力大小为Fn',选取k个点,对于差值F,当满足时,认为当前患侧受力与健侧相匹配,可以进行切口缝合;其中,Wn为第n个点受力结果的权重,Fs为可接受的差值阈值。进行三维建模采用的软件为SolidWorks软件。全膝关节置换术中力线平衡确定方法,其平衡判别特征在于:在术前对患者健侧腿部骨骼进行建模及有限元分析,便于与术中患侧腿部有限元分析结果匹配比较,术中在植入假体后进行三维建模及有限元分析,调整截骨位置及假体型号、位置,使患侧受力的有限元分析与健侧相匹配,此时认为患侧力线达到平衡。保持该位置不变,进行手术缝合。本专利技术易于操作、准确度高、满足患者个体差异的优点,通过提高全膝关节置换手术中力线平衡的准确率,对增加患者术后假体的使用寿命,降低术后并发症,提高患者术后生活质量有重要作用。附图说明图1为本专利技术的系统流程图。图2为本专利技术的股骨有限元分析图。图3为本专利技术的高斯-拉普拉斯金字塔流程图。具体实施方式下面结合附图,对本专利技术作进一步详细说明。如图1至3所示,本专利技术提供一种全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法,包括以下内容:在临床全膝关节置换手术前,对患者健侧下肢骨骼进行三维成像,将所得三维成像数据进行数据处理,并通过SolidWorks软件进行三维建模,对该模型进行有限元分析,选取分析结果的若干位置作为参照;在术中,打开患者膝关节,进行全膝关节置换,在截骨后将假体置于膝关节处,进行三维成像并建模,对该模型进行有限元分析,在患侧有限元分析结果里选取与健侧对应的若干位置,通过判别两侧是否平衡,给出当前力线是否准确结论,根据结论进行调整。所述三维成像数据,可使用医院CT、MRI等仪器采集到的骨骼三维原始数据,能反映出患者此时下肢骨骼的真实情况。所述数据处理的方法,是由于在有限元分析中数据量极大,很多软件会自动消除模型上的细小差异,为避免出现因这种消除而造成的医学上的差异,使用高斯-拉普拉斯图像增强算法,增强下肢骨骼表面的差异,减少因软件产生的畸变。将医院采集到的三维成像原始数据,转化为三维分层的点云数据,通过隔层之间建立三角网格化模型形成表面的小单元;对形成的单元面进行高斯-拉普拉斯金字塔处理;高斯-拉普拉斯金字塔法是对图像的处理方法,将第k层的图像进行下采样得到第k+1层的高斯图像,将第k+1层的高斯图像进行上采样并与第k层的图像相减得到第k层的拉普拉斯图像(预测残差图像);对于第k层图像的第i行第j列的像素点,作如下变换,形成第k+1层图像:其中,W(m,k)=W(m)*W(k)是长度为5的卷积核,m为卷积计算过程中的变化值;将得到的高斯图像和拉普拉斯图像叠加内插延展,其延展公式为:通过这一过程可实现图像的增强,尤其是边缘部分,利于有限元分析的使用。所述三维建模的方法,是将医院采集到的三维成像原始数据,通过三维建模软件分层叠加,建立模型,最终得到完整的模拟下肢骨骼。所述有限元分析的方法,是将两侧骨骼的三维模型,通过在有限元分析软件上确定受力点、受力大小及方向,模拟下肢骨骼本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法,其特征在于,包括以下内容:在临床全膝关节置换手术前,对患者健侧下肢骨骼进行三维成像,将所得三维成像数据进行数据处理,并通过软件进行三维建模,对该模型进行有限元分析,选取分析结果的若干位置作为参照;在术中,打开患者膝关节,进行全膝关节置换,在截骨后将假体置于膝关节处,进行三维成像并建模,对该模型进行有限元分析,在患侧有限元分析结果里选取与健侧对应的若干位置,通过判别两侧是否平衡,给出当前力线是否准确结论;所述三维成像数据,使用医院CT、MRI仪器采集到的骨骼三维原始数据,能反映出患者此时下肢骨骼的真实情况;所述数据处理的方法,使用高斯‑拉普拉斯图像增强算法,增强下肢骨骼表面的差异;将医院采集到的三维成像原始数据,转化为三维分层的点云数据,通过隔层之间建立三角网格化模型形成表面的小单元;对形成的单元面进行高斯‑拉普拉斯金字塔处理;高斯‑拉普拉斯金字塔法是对图像的处理方法,将第k层的图像进行下采样得到第k+1层的高斯图像,将第k+1层的高斯图像进行上采样并与第k层的图像相减得到第k层的拉普拉斯图像;对于第k层图像的第i行第j列的像素点,作如下变换,形成第k+1层图像:...

【技术特征摘要】
1.一种全膝关节置换术中有限元分析确定力线平衡方法,其特征在于,包括以下内容:在临床全膝关节置换手术前,对患者健侧下肢骨骼进行三维成像,将所得三维成像数据进行数据处理,并通过软件进行三维建模,对该模型进行有限元分析,选取分析结果的若干位置作为参照;在术中,打开患者膝关节,进行全膝关节置换,在截骨后将假体置于膝关节处,进行三维成像并建模,对该模型进行有限元分析,在患侧有限元分析结果里选取与健侧对应的若干位置,通过判别两侧是否平衡,给出当前力线是否准确结论;所述三维成像数据,使用医院CT、MRI仪器采集到的骨骼三维原始数据,能反映出患者此时下肢骨骼的真实情况;所述数据处理的方法,使用高斯-拉普拉斯图像增强算法,增强下肢骨骼表面的差异;将医院采集到的三维成像原始数据,转化为三维分层的点云数据,通过隔层之间建立三角网格化模型形成表面的小单元;对形成的单元面进行高斯-拉普拉斯金字塔处理;高斯-拉普拉斯金字塔法是对图像的处理方法,将第k层的图像进行下采样得到第k+1层的高斯图像,将第k+1层的高斯图像进行上采样并与第k层的图像相减得到第k层的拉普拉斯图像;对于第k层图像的第i行第j列的像素点,作如下变换,形成第k+1层图像:其中,W(m,k)=W(m)*W(k)是长度为5...

【专利技术属性】
技术研发人员:吴小玲竺明月李修寒刘志鹏朱松盛
申请(专利权)人:南京医科大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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