传感器在膝关节假体垫片上的布局方法技术

本发明专利技术公开了一种传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，先通过正常膝关节和假体垫片建立全膝关节置换术的膝关节三维模型；再对不同情况下的膝关节进行有限元分析得到应力云图，统计假体垫片在不同角度下受力情况的接触应力峰值坐标，得到峰值坐标集；最后采用聚类算法求解峰值坐标集的聚类情况，根据聚类结果计算出各类的几何中心点，在假体垫片上对应的几何中心点处布局传感器。本发明专利技术通过利用有限元分析模拟实际受力情况，并建立不同膝关节情况下的有限元模型，模拟膝关节不同屈曲过程，充分表现了在不同角度、不同受力下假体垫片的受力情况；在此基础上通过聚类算法求解假体垫片应力峰值位点的分类和几何中心点，得到合理的传感器布局位置。的传感器布局位置。的传感器布局位置。

【技术实现步骤摘要】
传感器在膝关节假体垫片上的布局方法


[0001]本专利技术涉及临床医学领域，具体涉及传感器在膝关节假体垫片上的布局方法。

技术介绍

[0002]全膝关节置换术(Total Knee arthroplasty，TKA)是一种治疗终末期膝关节骨性关节炎的最有效方法，能长期缓解患者疼痛，改善关节功能，提高生活质量。然而关节周围软组织不平衡常会导致膝关节不稳和假体松动等全膝关节置换术预后不良的情况，导致需要进行翻修手术。临床中需要进行全膝关节置换术的患者往往存在软组织失衡的问题，医生会在手术中进行中度或广泛的软组织松解。因此适当的软组织平衡对全膝关节置换术的预后至关重要，能降减轻疼痛低翻修率，改善功能增加患者满意度。
[0003]目前广泛认可的软组织达到平衡的条件为膝关节屈伸过程中两侧韧带的张力相等，但对两侧韧带的张力是否相等的测量方法通常都是取决于外科医生的模糊感觉和主观判断，评估的准确性和可靠性都较低。近年来，利用传感器定量测量软组织平衡代替传统的人为判断成为趋势，但是，通过控制传感器元件的数量和对传感器元件布局而达到的对软组织平衡的测量效果仍然有限，需要改进。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种可以更好地反映假体垫片的受力情况、定量分析膝关节置换手术中软组织平衡问题的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：利用医学影像数据建立正常膝关节三维模型，获取膝关节假体垫片的三维模型，对正常膝关节三维模型进行手术模拟并植入假体垫片的三维模型，得到全膝关节置换术的膝关节三维模型；
[0007]步骤2：对不同情况下的全膝关节置换术的膝关节三维模型进行有限元分析，得到应力云图，统计假体垫片在不同角度下受力情况的接触应力峰值坐标，得到峰值坐标集；
[0008]步骤3：采用聚类算法求解峰值坐标集的聚类情况，根据聚类结果计算出各类的几何中心点，在假体垫片上对应的几何中心点处布局传感器。
[0009]进一步地，所述步骤1中利用医学影像数据建立正常膝关节三维模型的方法为，使用计算机断层扫描和磁共振成像共同建立医学影像数据，对医学影像数据进行平滑处理后得到正常膝关节三维模型。
[0010]进一步地，所述步骤1中获取膝关节假体垫片的三维模型的方法为，使用激光扫描仪扫描膝关节假体垫片，并对扫描数据进行平滑处理得到膝关节假体垫片的三维模型。
[0011]进一步地，所述步骤1中获取膝关节假体垫片的三维模型，膝关节假体垫片为可移动轴承的膝关节假体垫片。
[0012]进一步地，所述步骤1中对正常膝关节三维模型进行手术模拟并植入假体垫片的
三维模型，具体为进行全膝关节置换术的手术模拟股骨和胫骨的截骨，将假体垫片植入截骨完成的股骨和胫骨中。
[0013]进一步地，所述将假体垫片植入截骨完成的股骨和胫骨中的过程中，股骨假体与假体垫片的内、外侧间室之间的接触面积最大且相等。
[0014]进一步地，所述步骤1中对正常膝关节三维模型进行手术模拟，手术模拟采用机械对齐的方法进行。
[0015]进一步地，所述步骤2中对不同情况下的全膝关节置换术的膝关节三维模型进行有限元分析，通过调节韧带挛缩得到软组织平衡、内侧副韧带挛缩、外侧副韧带挛缩三种情况，并分别进行有限元分析。
[0016]进一步地，所述步骤2中统计假体垫片在不同角度下受力情况的接触应力峰值坐标，分别统计假体垫片在0～90
°
下每一度屈曲的接触应力峰值坐标。
[0017]进一步地，所述步骤3中采用的聚类算法为K均值聚类算法。
[0018]本专利技术的有益效果：该传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，通过利用有限元分析模拟实际受力情况，并建立不同膝关节情况下的有限元模型，模拟膝关节不同屈曲过程，充分表现了在不同角度、不同受力下假体垫片的受力情况；在此基础上通过采用聚类算法求解假体垫片应力峰值位点的分类和几何中心点，得到合理的传感器元件的布局位置，利用传感器定量测量软组织平衡，方便在安装假体后对软组织进行调整使其达到平衡。
[0019]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
[0020]图1是本专利技术的流程图。
具体实施方式
[0021]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。
[0022]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0023]在本专利技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0024]除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。此外，术语“包括”意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，没有限定于已列出的步骤或单元而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些
过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0025]参照图1所示，本专利技术一种传感器在膝关节假体垫片上的布局方法的实施例，为了更好地根据被测物体的形状来进行弯曲和变化，本实施例中使用的传感器为采用柔性材料构成的、具有良好延展性的柔性传感器。本实施例包括以下步骤：
[0026]步骤1：利用医学影像数据建立正常膝关节三维模型，获取膝关节假体垫片三维模型，对正常膝关节三维模型进行手术模拟并植入假体垫片的三维模型，得到全膝关节置换术的膝关节三维模型。
[0027]步骤1-1：利用计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)获取医学影像数据，通过医学影像数据建立正常膝关节的三维模型。
[0028]获取的样本对象既往右下肢无骨骼肌肉相关疾病，表示右下肢是健康的。三维模型包括股骨、胫骨、髌骨、腓骨及膝关节周围相关软组织。CT对骨组织识别度高，MRI对韧带等软组织识别度高。CT层厚为0.1mm，MRI层厚为0.4mm。将DICOM格式的CT和MRI数据导入软件Mi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用医学影像数据建立正常膝关节三维模型，获取膝关节假体垫片的三维模型，对正常膝关节三维模型进行手术模拟并植入假体垫片的三维模型，得到全膝关节置换术的膝关节三维模型；步骤2：对不同情况下的全膝关节置换术的膝关节三维模型进行有限元分析，得到应力云图，统计假体垫片在不同角度下受力情况的接触应力峰值坐标，得到峰值坐标集；步骤3：采用聚类算法求解峰值坐标集的聚类情况，根据聚类结果计算出各类的几何中心点，在假体垫片上对应的几何中心点处布局传感器。2.根据权利要求1所述的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于：所述步骤1中利用医学影像数据建立正常膝关节三维模型的方法为，使用计算机断层扫描和磁共振成像共同建立医学影像数据，对医学影像数据进行平滑处理后得到正常膝关节三维模型。3.根据权利要求1所述的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于：所述步骤1中获取膝关节假体垫片的三维模型的方法为，使用激光扫描仪扫描膝关节假体垫片，对扫描数据进行平滑处理得到膝关节假体垫片的三维模型。4.根据权利要求1所述的传感器在膝关节假体垫片上的布局方法，其特征在于：所述步骤1中获取膝关节假体垫片的三维模型，膝关节假体垫片为可移动轴承的膝关节假体垫片。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：匡绍龙，黄立新，孙立宁，颜雨新，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：