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CN116077135A - 一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法 - Google Patents

一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法 Download PDF

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CN116077135A
CN116077135A CN202310349552.2A CN202310349552A CN116077135A CN 116077135 A CN116077135 A CN 116077135A CN 202310349552 A CN202310349552 A CN 202310349552A CN 116077135 A CN116077135 A CN 116077135A
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polishing
bone
area
dimensional model
prosthesis
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甘博涵
乔天
杜思傲
戚翔尔
胡熙臣
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Original Assignee
Hangzhou Jianjia Medical Technology Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，包括以下步骤：通过图像分割技术从CT影像中重建三维骨模型；结合规划软件提供的测量工具在三维模型上摆放股骨和胫骨假体的位置；在导航软件中对方案进行预览并最终确认；将两个反光阵列分别固定在股骨干和胫骨干上，通过配准获取反光阵列相对股骨和胫骨的位姿转换关系；使用标定板工具对骨科钻枪的位置进行校准；生成打磨区域，自动控制骨科钻枪进行骨打磨，且在打磨过程中采用三维实时渲染技术将已打磨区域在三维模型上进行切除。本发明所述方法使用一整套固定的操作流程和工具，可以适配多种不同型号的假体，大幅度降低医生的学习成本，使医生对假体的使用更加灵活。

Description

一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体为一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法。
背景技术
单髁置换手术适用于膝关节单侧髁出现关节炎且内外翻可矫正的病人，与全膝关节置换相比，具有手术时间短、手术创伤小、恢复速度快的优点。单髁置换手术需要对股骨侧和胫骨侧骨面进行打磨，将已经磨损或者发炎的骨质去除，打磨成能够适配假体的形状，然后在打磨好的骨面上涂抹上骨水泥作为粘合剂，再将对应尺寸的假体安装在骨面上，装上合适尺寸的衬垫，从而完成假体的植入。
在传统的单髁置换手术中，打磨骨质的步骤需要经过多次的定位，再使用不同的工具分次打磨，才能得到最终的形状，操作的复杂程度高，并且不同厂家提供的假体由于形态差异，没有设计统一的操作流程，导致操作步骤各不相同，再加上手术过程中使用的器械众多，因此医生要熟练使用一款假体的学习成本很高。
发明内容
本发明的目的在于解决上述背景技术中描述的现有技术方案的缺点，提供一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，所述方法使用一整套固定的操作流程和工具，可以适配多种不同型号的假体，大幅度降低医生的学习成本，使医生对假体的使用更加灵活。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，包括以下步骤：
获取患者CT影像，并通过图像分割技术从CT影像中重建出三维模型；其中，所述三维模型包括股骨三维模型和胫骨三维模型；
结合规划软件提供的测量工具，分别在股骨和胫骨的三维模型上摆放股骨假体和胫骨假体的位置；
将生成的方案导入导航软件，在导航软件中对方案进行预览并最终确认；
将两个不同的反光阵列通过克氏针分别固定在患者的股骨干和胫骨干上，通过配准分别获取两个反光阵列相对股骨和胫骨的位姿转换关系；
使用标定板工具，对骨科钻枪的位置进行校准，减小由于安装造成的误差对打磨精度的影响；
生成打磨区域，自动控制骨科钻枪进行骨打磨，且在打磨过程中采用三维实时渲染技术将已打磨区域在三维模型上进行切除，使三维模型与真实骨打磨状态保持一致。
进一步地，所述结合规划软件提供的测量工具，分别在股骨和胫骨的三维模型上摆放股骨假体和胫骨假体的位置，还包括：
股骨假体和胫骨假体摆放不改变患者原有的下肢力线，截骨厚度与假体植入厚度一致，可以保证安装后的假体稳定性。
进一步地，所述将两个不同的反光阵列通过克氏针分别固定在患者的股骨干和胫骨干上，通过配准分别获取两个反光阵列相对股骨和胫骨的位姿转换关系，包括：
将两个不同的反光阵列通过克氏针分别固定在股骨干和胫骨干上；
在切口暴露的区域内，用带有反光阵列的探针在骨表面上采点；
将采集点的数据与三维骨模型进行配准，分别获取两个反光阵列相对股骨和胫骨的位姿转换关系。
进一步地，所述骨科钻枪的钻头选用球形磨削头，钻枪本体上安装有反光阵列，所述反光阵列可以被双目相机识别实时的位置和姿态。
进一步地，所述生成打磨区域，自动控制骨科钻枪进行骨打磨，且在打磨过程中采用三维实时渲染技术将已打磨区域在三维模型上进行切除，使三维模型与真实骨打磨状态保持一致，包括：
开启打磨区域生成；
通过导航系统的运算，根据规划假体的位置计算出在真实骨表面应当打磨的区域位置；
通过控制动力电源，使骨科钻枪的钻头只有在规定的打磨区域内部才能够旋转，从而实现任意形状的打磨；
打磨过程中实时进行模型更新，采用三维实时渲染技术将已打磨的区域在三维模型上切除，使三维模型与真实骨打磨的状态保持一致。
进一步地，所述打磨区域为三维封闭区域。
进一步地，所述股骨侧和所述胫骨侧的打磨区域外部为一个长方体，内侧形状分别与各自假体内侧面的形状相同。
进一步地，所述通过控制动力电源，使骨科钻枪的钻头只有在规定的打磨区域内部才能够旋转，从而实现任意形状的打磨，包括：
将骨科钻枪的钻头与打磨区域进行实时的布尔运算；
判断骨科钻枪的钻头与打磨区域的位置：当钻头在打磨区域内部时，控制电脑发送信号给二级控制板，控制板闭合继电器，动力得到供电骨科钻枪的钻头开始打磨；当钻头在打磨区域外部时，继电器打开，动力供电断开，骨科钻枪停止打磨。
与现有技术相比较，本发明提供的一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法具有以下技术优点：
1.通过使用导航技术，用双目相机识别反光阵列，再结合配准算法进行骨定位，在医生交互上采用三维模型可视化骨与骨科钻枪的相对位置关系，减少了传统定位工具在手术中的使用；
2.通过使用标定板工具对骨科钻枪球形磨钻头的位置进行校准，可以减小由于安装造成的误差对打磨精度的影响；
3.根据假体品牌设定打磨区域，自动控制磨钻旋转与停止，有效防止打磨超出预期打磨区域，使手术的执行更加安全；
4.采用三维实时渲染技术，在磨削过程中对骨科钻枪切削的骨质在三维模型上进行消除，保持三维模型与真实骨打磨状态的一致性；
5.给医生可视化的三维界面，实时显示骨打磨的状态以及钻头位置，在视野狭窄的手术空间中提供良好的手术视野；
6.对于不同的假体品牌，均可以采用本发明所述方法的操作流程完成手术，降低了医生对不同假体的学习成本，增强了临床假体选择的灵活性。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1是本发明实施例提供的单髁置换手术中的骨打磨实现方法流程示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开 的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开， 而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体 细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本 公开的示例来提供对本公开更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些 实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本文中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
图1是本发明实施例提供的单髁置换手术中的骨打磨实现方法流程示意图。
如图1所示，本发明提供了一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，包括以下步骤：
S101，获取患者CT影像，并通过图像分割技术从CT影像中重建出三维模型；其中，所述三维模型包括股骨三维模型和胫骨三维模型；
S102，结合规划软件提供的测量工具，分别在股骨和胫骨的三维模型上摆放股骨假体和胫骨假体的位置；
S103，将生成的方案导入导航软件，在导航软件中对方案进行预览并最终确认；
S104，将两个不同的反光阵列通过克氏针分别固定在患者的股骨干和胫骨干上，通过配准分别获取两个反光阵列相对股骨和胫骨的位姿转换关系；
S105，使用标定板工具，对骨科钻枪的位置进行校准，减小由于安装造成的误差对打磨精度的影响；
S106，生成打磨区域，自动控制骨科钻枪进行骨打磨，且在打磨过程中采用三维实时渲染技术将已打磨区域在三维模型上进行切除，使三维模型与真实骨打磨状态保持一致。
作为一种可选的实施方式，S102中所述结合规划软件提供的测量工具，分别在股骨和胫骨的三维模型上摆放股骨假体和胫骨假体的位置，还包括：
股骨假体和胫骨假体摆放不改变患者原有的下肢力线，截骨厚度与假体植入厚度一致，可以保证安装后的假体稳定性。
作为一种可选的实施方式，S104中所述将两个不同的反光阵列通过克氏针分别固定在患者的股骨干和胫骨干上，通过配准分别获取两个反光阵列相对股骨和胫骨的位姿转换关系，包括：
将两个不同的反光阵列通过克氏针分别固定在股骨干和胫骨干上；
在切口暴露的区域内，用带有反光阵列的探针在骨表面上采点；
将采集点的数据与三维骨模型进行配准，分别获取两个反光阵列相对股骨和胫骨的位姿转换关系。
作为一种可选的实施方式，S105中所述骨科钻枪的钻头选用球形磨削头，钻枪本体上安装有反光阵列，所述反光阵列可以被双目相机识别实时的位置和姿态。
作为一种可选的实施方式，S106中所述生成打磨区域，自动控制骨科钻枪进行骨打磨，且在打磨过程中采用三维实时渲染技术将已打磨区域在三维模型上进行切除，使三维模型与真实骨打磨状态保持一致，包括：
开启打磨区域生成；
通过导航系统的运算，根据规划假体的位置计算出在真实骨表面应当打磨的区域位置；
通过控制动力电源，使骨科钻枪的钻头只有在规定的打磨区域内部才能够旋转，从而实现任意形状的打磨；
打磨过程中实时进行模型更新，采用三维实时渲染技术将已打磨的区域在三维模型上切除，使三维模型与真实骨打磨的状态保持一致。
作为一种可选的实施方式，所述打磨区域为三维封闭区域。
作为一种可选的实施方式，所述股骨侧和所述胫骨侧的打磨区域外部为一个长方体，内侧形状分别与各自假体内侧面的形状相同。
作为一种可选的实施方式，所述通过控制动力电源，使骨科钻枪的钻头只有在规定的打磨区域内部才能够旋转，从而实现任意形状的打磨，包括：
将骨科钻枪的钻头与打磨区域进行实时的布尔运算；
判断骨科钻枪的钻头与打磨区域的位置：当钻头在打磨区域内部时，控制电脑发送信号给二级控制板，控制板闭合继电器，动力得到供电骨科钻枪的钻头开始打磨；当钻头在打磨区域外部时，继电器打开，动力供电断开，骨科钻枪停止打磨。
与现有技术相比较，本发明提供的一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法具有以下技术优点：
1.通过使用导航技术，用双目相机识别反光阵列，再结合配准算法进行骨定位，在医生交互上采用三维模型可视化骨与骨科钻枪的相对位置关系，减少了传统定位工具在手术中的使用；
2.通过使用标定板工具对骨科钻枪球形磨钻头的位置进行校准，可以减小由于安装造成的误差对打磨精度的影响；
3.根据假体品牌设定打磨区域，自动控制磨钻旋转与停止，有效防止打磨超出预期打磨区域，使手术的执行更加安全；
4.采用三维实时渲染技术，在磨削过程中对骨科钻枪切削的骨质在三维模型上进行消除，保持三维模型与真实骨打磨状态的一致性；
5.给医生可视化的三维界面，实时显示骨打磨的状态以及钻头位置，在视野狭窄的手术空间中提供良好的手术视野；
6.对于不同的假体品牌，均可以采用本发明所述方法的操作流程完成手术，降低了医生对不同假体的学习成本，增强了临床假体选择的灵活性。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，获取患者CT影像，并通过图像分割技术从CT影像中重建出三维模型；其中，所述三维模型包括股骨三维模型和胫骨三维模型；
S102，结合规划软件提供的测量工具，分别在股骨和胫骨的三维模型上摆放股骨假体和胫骨假体的位置；
S103，将生成的方案导入导航软件，在导航软件中对方案进行预览并最终确认；
S104，将两个不同的反光阵列通过克氏针分别固定在患者的股骨干和胫骨干上，通过配准分别获取两个反光阵列相对股骨和胫骨的位姿转换关系；
S105，使用标定板工具，对骨科钻枪的位置进行校准，减小由于安装造成的误差对打磨精度的影响；
S106，生成打磨区域，自动控制骨科钻枪进行骨打磨，且在打磨过程中采用三维实时渲染技术将已打磨区域在三维模型上进行切除，使三维模型与真实骨打磨状态保持一致。
2.根据权利要求1所述的一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，其特征在于，S102中所述结合规划软件提供的测量工具，分别在股骨和胫骨的三维模型上摆放股骨假体和胫骨假体的位置，还包括：
股骨假体和胫骨假体摆放不改变患者原有的下肢力线，截骨厚度与假体植入厚度一致，可以保证安装后的假体稳定性。
3.根据权利要求1所述的一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，其特征在于，S104中所述将两个不同的反光阵列通过克氏针分别固定在患者的股骨干和胫骨干上，通过配准分别获取两个反光阵列相对股骨和胫骨的位姿转换关系，包括：
将两个不同的反光阵列通过克氏针分别固定在股骨干和胫骨干上；
在切口暴露的区域内，用带有反光阵列的探针在骨表面上采点；
将采集点的数据与三维骨模型进行配准，分别获取两个反光阵列相对股骨和胫骨的位姿转换关系。
4.根据权利要求1所述的一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，其特征在于，S105中所述骨科钻枪的钻头选用球形磨削头，钻枪本体上安装有反光阵列，所述反光阵列可以被双目相机识别实时的位置和姿态。
5.根据权利要求1所述的一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，其特征在于，S106中所述生成打磨区域，自动控制骨科钻枪进行骨打磨，且在打磨过程中采用三维实时渲染技术将已打磨区域在三维模型上进行切除，使三维模型与真实骨打磨状态保持一致，包括：
开启打磨区域生成；
通过导航系统的运算，根据规划假体的位置计算出在真实骨表面应当打磨的区域位置；
通过控制动力电源，使骨科钻枪的钻头只有在规定的打磨区域内部才能够旋转，从而实现任意形状的打磨；
打磨过程中实时进行模型更新，采用三维实时渲染技术将已打磨的区域在三维模型上切除，使三维模型与真实骨打磨的状态保持一致。
6.根据权利要求5所述的一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，其特征在于，所述打磨区域为三维封闭区域。
7.根据权利要求5所述的一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，其特征在于，所述股骨侧和所述胫骨侧的打磨区域外部为一个长方体，内侧形状分别与各自假体内侧面的形状相同。
8.根据权利要求5所述的一种单髁置换手术中的骨打磨实现方法，其特征在于，所述通过控制动力电源，使骨科钻枪的钻头只有在规定的打磨区域内部才能够旋转，从而实现任意形状的打磨，包括：
将骨科钻枪的钻头与打磨区域进行实时的布尔运算；
判断骨科钻枪的钻头与打磨区域的位置：当钻头在打磨区域内部时，控制电脑发送信号给二级控制板，控制板闭合继电器，动力得到供电骨科钻枪的钻头开始打磨；当钻头在打磨区域外部时，继电器打开，动力供电断开，骨科钻枪停止打磨。
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