全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療嚴重骨關(guān)節(jié)炎患者獲得長期、良好療效的標準方法。其主要流程包括術(shù)前規(guī)劃、截骨、假體安裝、軟組織平衡等,其中軟組織平衡環(huán)節(jié)目的是確保正確的關(guān)節(jié)力線,保持關(guān)節(jié)接觸點在正常的生理位置。但是在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中傳統(tǒng)的軟組織平衡評估方法是通過關(guān)節(jié)間隙間接判斷軟組織的張力情況,但是這種方法依賴醫(yī)生的經(jīng)驗并帶有一定的主觀性。為了幫助醫(yī)生更輕松準確的評估軟組織平衡情況,本文設(shè)計了一種基于關(guān)節(jié)植入式假體傳感器的軟組織張力評估方法。本文在術(shù)前規(guī)劃環(huán)節(jié)提出了一種膝關(guān)節(jié)X光影像自動診斷處理的策略,在圖像上自動規(guī)劃出截骨平面。針對手術(shù)中病人的關(guān)節(jié)環(huán)境,本文建立了以求解韌帶張力為目標的動力學模型,該動力學模型中不用任何材料模型描述側(cè)副韌帶,而是通過增加假體傳感器的方法來為平衡方程增加求解所需的已知量。隨后通過有限元方法分析了屈膝過程中假體和韌帶的應力變化情況及關(guān)節(jié)角度變化。假體傳感器系統(tǒng)的設(shè)計以標準假體的點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),使用柔性壓力薄膜作為測量元件并結(jié)合有限元分析的應力數(shù)據(jù)使用遺傳算法對感應元件的布局進行了優(yōu)化,數(shù)據(jù)采集卡被用于信號采集,在QT軟件上設(shè)計了相應的軟件界面。使用砝碼對假體傳感器的各個... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：71 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

關(guān)節(jié)間隙測量法[11]

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-3-夠。針對這一復雜的分類任務(wù)，需要從X光影像中利用更多的病理特征，因此能提供更多深度信息的診斷策略會更加適應這一任務(wù)。圖1-2Siamese網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[15]目前，骨組織三維重建的數(shù)據(jù)主要來源于CT或MRI斷層醫(yī)學影像。CT可以清晰顯示骨組織結(jié)構(gòu)，但不容易識別軟組織。而MRI則對關(guān)節(jié)周圍的軟組織有著清晰的成像，并且可清晰顯示關(guān)節(jié)囊、表面軟骨、韌帶和半月板等結(jié)構(gòu)。利用CT和MRI的掃描數(shù)據(jù)可以建立包含骨骼結(jié)構(gòu)和軟組織的完整膝關(guān)節(jié)三維模型。模型可用于結(jié)構(gòu)測量分析、虛擬手術(shù)仿真和膝關(guān)節(jié)生物力學分析等術(shù)前規(guī)劃操作。2015年，EmilyA.Lalone等人以人肘關(guān)節(jié)骨骼作為研究樣本，評估了CT建模的準確性[16]。該研究以激光掃描儀的數(shù)據(jù)作為基準，評價CT建模精度，結(jié)果顯示：肘關(guān)節(jié)軟組織點云數(shù)據(jù)的平均誤差約為0.3mm，誤差小于0.5mm的點占88%，誤差小于0.25mm的點占64%；肘關(guān)節(jié)骨組織（肱骨、尺骨）點云數(shù)據(jù)的平均誤差約為0.4mm，誤差小于0.5mm的點占88%，誤差小于0.25mm的點占56%，總體建模精度滿足手術(shù)要求�；贛RI的三維圖像重建對軟組織具有較好的分辨率，建模精度大致在0.5×0.5×0.5mm[15]。A.Costa評估了MRI三維成像在下頜關(guān)節(jié)診斷中的應用效果[18]，結(jié)果顯示該技術(shù)對關(guān)節(jié)診斷效果優(yōu)良。此外，國內(nèi)外開發(fā)了大量醫(yī)學影像處理軟件和專業(yè)軟件庫，例如美國賓夕法尼亞大學MIPG小組的3Dviewnix系統(tǒng)、麻省理工的3Dslice，以及ITK和VGL軟件平臺庫等。此外還有針對膝關(guān)節(jié)軟骨全自動分割算法的研究。到目前為止由經(jīng)過培訓的專家手動描繪軟骨邊界仍然是最常用的技術(shù)。這是一個非常費力且耗時的過程，根據(jù)圖像大小，質(zhì)量和特定患者的疾病階段，每個膝蓋分割可能長達幾個小時。此外，由于手工誤差，該方法的重復性

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-4-圖1-3兔膝三維模型重建[20]1.3關(guān)節(jié)假體傳感器研究現(xiàn)狀對人工膝關(guān)節(jié)植入物的研究已經(jīng)開始了好幾年，Tcscan的I-scan4000傳感器是專為脛股關(guān)節(jié)測量而設(shè)計的，它是兩個單獨的片狀傳感器的組合，直接植入脛股關(guān)節(jié)兩側(cè)的關(guān)節(jié)空間。美國的orthosensor公司在2012年推出了一款名叫smarttrials的關(guān)節(jié)墊片傳感器[21]，該傳感器與膝關(guān)節(jié)標準墊片假體外形相似，表面采用柔性材料制造，將受力傳遞給內(nèi)部的測量元件。內(nèi)外側(cè)室分別放置了三個電容式壓力傳感器，可以檢測股骨脛骨之間兩個側(cè)室垂直方向的接觸集中力的大小和方向，并開發(fā)了實時顯示的界面，如圖1-4所示。圖1-4smarttrials軟件界面[21]國內(nèi)對關(guān)節(jié)傳感器研究也有開展。清華大學微電子所在2016年研制了膝關(guān)節(jié)應力無線檢測系統(tǒng)(WirelessForceMeasurementSystem，WFMS)測量術(shù)中膝關(guān)節(jié)內(nèi)應力分布[22]。該智能墊片將PCB板安裝在表層下，板上集成了8個電子式壓力傳感器。將這種WFMS放置到膝關(guān)節(jié)間隙中，可將脛股關(guān)節(jié)間的壓力信息轉(zhuǎn)化為壓力傳感器的電信號，通過無線通訊芯片將信息傳遞給終端的軟件的界面，經(jīng)過簡單的計算后，關(guān)節(jié)間的內(nèi)外側(cè)應外側(cè)應力結(jié)果可以顯示在軟件界面上。這種實時的反饋機制能夠讓手術(shù)醫(yī)生評估當前的不同角度下軟組織平衡情況，便于醫(yī)生進行調(diào)

【參考文獻】：
期刊論文
[1]人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中智能關(guān)節(jié)內(nèi)應力測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)軟組織平衡評估方法的比較研究[J]. 唐浩,郭盛杰,陳虹,楊德金,蔣毅,張春雨,周一新.  骨科臨床與研究雜志. 2016(01)
[2]全髖關(guān)節(jié)置換假體位置的確定方法及生物力學特性[J]. 戚大春,安新榮.  中國組織工程研究. 2016(26)
[3]行人膝關(guān)節(jié)韌帶的建模及驗證研究[J]. 張冠軍,曹立波,官鳳嬌,張勇,Yang King H..  汽車工程. 2012(01)

博士論文
[1]膝關(guān)節(jié)力學建模與屈曲運動生物力學特性研究[D]. 王建平.上海交通大學 2010
[2]膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中軟組織平衡相關(guān)應用解剖及生物力學研究[D]. 余正紅.南方醫(yī)科大學 2008



本文編號：3276125