膝关节假体股骨部件与股骨的拟合方法及机器人手术系统

技术领域

本发明涉及一种假体与骨骼拟合的方法，尤其是用于全膝关节置换术的膝关节假体股骨部件与股骨的拟合方法。本发明还涉及一种机器人手术系统。

背景技术

全膝关节置换术(TKA)是一种外科手术，可应用人工膝关节假体(以下又称植入物)替代膝关节表面。而成功的TKA的基础之一是实现植入物的机械对准(也称为力线对准)。

TKA中的机械对准(MA)旨在将股骨和胫骨假体部件(例如，植入物部件钉柱所在的内侧基面)垂直于各自骨骼的机械轴，并处理好关节间隙平衡以获得正常的下肢力线，即，获得冠状位上0°的肢体的髋-膝-踝角(HKA)(不存在内外翻畸形)。

下肢的机械轴是一条从股骨头的中心延伸到踝关节中心并且通常横跨膝关节中心的线。其中，从股骨头中心到膝关节股骨中心的连线被定义为股骨机械轴，而从胫骨近侧骨骺中心到踝关节中心的连线被称为胫骨机械轴。

对于正常下肢，在冠状位上，股骨和胫骨的这两个机械轴成0°角(不存在内外翻畸形)，而且，站立位时，股骨机械轴、胫骨机械轴和下肢机械轴重合。

已知开发了这样一种方法，用于全膝关节表面置换前手术规划时，将膝关节假体股骨部件与股骨远端拟合。该方法旨在获得同一物理坐标系下膝关节假体股骨组件与股骨CT图像对齐。为了获得对齐，从CT图像提取以下点：外侧后髁点LP；内侧后髁点MP；膝关节股骨中心K；外上髁LE；内上髁ME；外侧远端髁点LD；内侧远端髁点MD；髋部中心H。

根据定义，由髋部中心H和膝关节股骨中心K形成的线HK定义了股骨的机械轴HK，并且垂直于由外上髁LE和内上髁ME连线LE ME形成的经股骨上髁轴TEA，如图1所示。

如图2所示，已知一种对应的膝关节假体股骨部件由5个内侧面A、B、C、D、E形成。通过在坐标系中表示此植入物的模型，可以获得假体内侧面与各面边缘之间的交界点处的几个顶点和每个面A、B、C、D、E的3个点，在此，每3个点定义了一个平面。

对于这种膝关节假体股骨部件，植入物与股骨的机械对准必须满足以下条件。

-股骨的机械轴HK必须垂直于植入物的C面；

-TEA必须平行于植入物上P1、P2点(作为假体内侧面的B面与C面的交界线与面边缘之间的交界点)的连线，即线P1P2；

-后髁截骨后，外侧后髁点LP和内侧后髁点MP必须属于由植入物A面形成的平面；

-膝盖中心K必须属于将植入物中间空白区域N二等分并垂直于线P1P2的平面；

-膝关节截骨后，股骨的MD和LD点必须属于由植入物的C面所形成的平面。

发明内容

为了满足这些条件，本发明提供一种用于膝关节假体股骨部件与股骨的拟合方法，其能够适当地确定用于将植入物坐标映射到定义股骨的坐标系的拟合向量，并从而能够将所获得的向量数据用于机器人手术系统的操作步骤。

根据本发明的一方面，提供一种膝关节假体股骨部件与股骨的拟合方法，该股骨部件作为植入物形成有与股骨远端接合的第一～五面(A、B、C、D、E)，当所述股骨部件与所述股骨远端接合成对齐状态时，满足以下约束条件：

Ⅰ)所述股骨的机械轴(HK)垂直于所述植入物的第三面(C)；

Ⅱ)经股骨上髁轴(TEA)平行于所述植入物上的第一连线(P1P2)，该第一连线是所述第二面(B)与所述第三面(C)的交界线与相应的面边缘之间的交界点(P1、P2)之间的连线；

Ⅲ)在后髁截骨后，外侧后髁点(LP)和内侧后髁点(MP)属于由所述第一面(A)形成的平面；

Ⅳ)膝盖中心(K)属于将所述植入物中间空白区域(N)二分并垂直于所述第一连线的平面；和

Ⅴ)在膝关节截骨后，所述股骨的内侧远端髁点(MD)和外侧远端髁点(LD)属于由所述第三面(C)所形成的平面，

其特征在于，包括如下步骤：

1)在计算机装置中生成所述股骨的三维图像模型，基于所述股骨上的特征点的位置信息，建立股骨坐标系，

其中，所述特征点选自：外侧后髁点(LP)、内侧后髁点(MP)、膝关节股骨中心(K)、外上髁(LE)、内上髁(ME)、外侧远端髁点(LD)、内侧远端髁点(MD)、髋部中心(H)；

2)获取植入物坐标系，设要向所述股骨坐标系转换的植入物坐标为X；

3)基于所述约束条件，求解所述股骨坐标系与所述植入物坐标系之间的转换矩阵F(x)＝Q+TX，得出旋转向量T、平移向量Q，

其中，T是3×3矩阵，允许在上述约束条件下从所述植入物坐标系到所述股骨坐标系的向量转换；Q是3×1向量，表示必要的平移用以匹配所述股骨的点和植入物面。

根据本发明的又一方面，提供一种机器人手术系统，包括用于辅助截骨定位和截骨操作的机械手末端，用于建立股骨坐标系的计算机装置，用于获取拟植入人体的植入物的植入物坐标系的数据采集装置，通过执行上述的拟合方法，得出旋转向量T、平移向量Q，所述机械手末端基于所得出的旋转向量T、平移向量Q，将所述植入物植入股骨远端。

根据本发明的机器人系统，基于相同的发明构思，同样具有后述的有益效果。

附图说明

图1示出股骨的机械轴与各标记；

图2示出股骨膝关节假体股骨部件的模型。

图3示出拟合状态下的约束条件的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性实施例。下文描述的和附图示出的示例性实施例旨在教导本发明的原理，使本领域技术人员能够在若干不同环境中和对于若干不同应用实施和使用本发明。因此，本发明的保护范围由所附的权利要求来限定，示例性实施例并不意在、并且不应该被认为是对本发明保护的范围的限制性描述。而且，术语“第一”和“第二”、“步骤”等旨在区别不同对象非特定顺序。

在全膝关节成形术(TKA)中，将膝关节的原关节表面用假体组件(部件)或植入物来替换，要求在股骨远端和胫骨近端上移除磨损或损坏的软骨和骨骼，然后用人造的植入物替换被移除的软骨和骨骼。该人造的植入物通常为钛合金或者钴铬钼合金等生物相容性较好的金属材料，以产生新的接合表面。

下面以股骨远端为例来说明根据本发明的技术方案，但不限于此，当然也可以适用于胫骨近端，或其它关节部位，旨在通过例示提供一种假体与骨骼拟合的方法。

<实施例>

根据该实施例的方法可用于在全膝关节表面置换手术前确定膝关节假体股骨部件与股骨之间正确拟合的位置，尤其是可以应用于术前规划，通过提供一种精确拟合方法，来确保患者膝关节内的假体的准确最终位置和对齐，从而改善长期的临床结果并提高假体的存活率。

<确定股骨坐标系>

在术前规划中，使用诸如计算机断层扫描(CT)、超声、或磁共振成像(MRI)的成像模态获得患者的股骨的成像数据。成像数据以数字化成像传输到计算机系统后，生成骨骼的3D图像模型。在特定实施例中，患者的骨骼可以由用户手动、半手动或自动分割以生成骨骼的3D模型。

例如，可以通过传统的交互式术前规划软件，基于患者的计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)图像数据集，生成患者的骨骼解剖结构的三维(3D)模型。

其中，CT影像常被用来作为手术规划的参考，CT影像可以被搬入虚拟空间，通过相同特征点提取，CT影像中的骨头与虚拟空间中真实骨头的结构可以进行重合，从而将CT影像中骨头的整个结构搬入虚拟空间中，代替真实骨头结构在虚拟空间中的位姿。这一过程的主要目的有：1，在虚拟坐标系中展示骨头整体结构；2，协助医生做手术规划，允许医生将植入物放置到骨骼解剖结构的3D模型中，以指定在骨骼上的植入物的最佳位置和对齐。还可进一步地辅助手术机器人进行膝关节假体股骨部件与股骨之间的准确拟合。

由此得出的术前规划数据还可以用于制造患者特异性仪器，或者由手术设备加载和读取，以帮助医生在手术中执行规划，甚至定位手术机器人，以便确保机器人的空间进入所需的手术区域。

此外，还可以利用配准探针收集配准点(registration points)的位置，以将裸露的股骨结构配准到计算机辅助手术系统。

关于建立股骨坐标系的方法、设备不是本发明的重点，在此不再赘述，可以利用上述等现有的手段来实现。

然后，从CT图像等3D图像模型提取以下点：外侧后髁点LP；内侧后髁点MP；膝关节股骨中心K；外上髁LE；内上髁ME；外侧远端髁点LD；内侧远端髁点MD；髋部中心H。由此，获得各点的位置坐标等数据信息。

<植入物的选型与约束条件>

术前规划的一个主要目标是要实现膝关节假体股骨部件与股骨的精确对准，从而为后续的手术提供指导。为此，本发明人通过认真研究，采用了逆向思维，得出如下的方法。

在此，采用现有的一体地形成有5个内侧面A、B、C、D、E的膝关节假体股骨部件1(参照图2)，与膝关节假体胫骨部件3相配合(参照图3)，作为植入物植入患者膝关节。

在利用膝关节假体股骨部件1的内侧钉柱11、12将该膝关节假体股骨部件1(下称植入物)与股骨2接合、机械对准时，必然已满足以下约束条件。

-股骨2的机械轴HK必须垂直于植入物的C面，即，内侧钉柱11、12所在的内侧面；

-TEA必须平行于植入物上P1、P2点(作为假体内侧面的B面与C面的交界线与面边缘之间的交界点)的连线；

-后髁截骨后，外侧后髁点LP和内侧后髁点MP必须属于由植入物的A面形成的平面；

-膝盖中心K必须属于将植入物中间空白区域N二等分并垂直于线P1P2的平面；

-膝关节截骨后，股骨的MD和LD点必须属于由植入物的C面所形成的平面。

<植入物坐标系的设定与获取>

由于医生或手术器械调整植入物的位置和方向，因此一系列顺序的旋转和平移会导致植入物的坐标系的方向的附加变化。

因此，为了满足这些约束条件，必须将植入物坐标映射到股骨坐标系，然后在该股骨坐标系中执行必要的平移。

从数学上讲，这种转换可以定义为：

F(x)＝Q+TX

其中，T是一个3×3矩阵，允许在上述约束条件下从植入物坐标系到股骨坐标系的向量转换；而Q是3×1向量，表示必要的平移用以匹配股骨的点和植入物的面；X表示将在其上进行转换的植入物坐标。

可以通过配准工具利用跟踪测量获取在各个采样时刻的空间位置和旋转矩阵。可以通过三维测量探针，在实际的植入物表面上点选，测量和记录所点选的点在对应的股骨坐标系中的三维位置。

此时可以利用高精度光学运动跟踪装置，或手术导航系统，按照一定的采样率来测量各个可跟踪标志或靶标的空间坐标和位移，捕捉植入物的三维空间运动。

<求解坐标转换>

本发明人研究后发现，根据以上约束条件，可以在股骨坐标空间中得出以下结论：

如果线P1P2平行于TEA，则线P1P2的单位方向向量V

如果股骨的机械轴垂直于植入物的面C，则到植入物的面C的单位法向量V

设V

V

T＝U

其中，V

在此，重要的是要选择具有正确取向的V、U向量，以使植入物以正确的方向定向，植入物必须以该正确的方向移动才能正确地适配到骨骼中。

在以如上方式获得了上述转换矩阵后，进一步寻找由向量Q表示的适当的平移。

要确定Q向量，只需知道截骨后股骨的LD和MD点必须属于C面，截骨后股骨的LP和MP点必须属于A面，而K点必须属于将植入物中间镂空的N部分二等分的平面即可。在这些必要充分条件下，可以定义代表植入物的充分平移的三个未知数的方程组，比如Ax+By+Cz，其中x,y,z是未知变量。

通过确定转换矩阵T和平移向量Q，就可以将植入物的每个面或顶点映射到股骨坐标系中的正确位置。

<计算机辅助导航TKA系统、机器人手术系统>

由此，在手术规划阶段，可以为计算机辅助导航系统或机器人手术系统的坐标标定、变换提供预定的参数，包括根据规划配准和执行TKA的最终的植入物到股骨的变换。

坐标的数据收集可以包含但不限于一个或多个双目光学相机、配准探针、靶标等标志架。

在建立股骨坐标系时，例如利用采集的内上髁最高点、外上髁最高点、髁间窝中心的测量数据，以及计算得到的股骨头中心的坐标信息建立股骨坐标系。

可以事先将所选择的假体模型输入计算机软件系统，通过双目相机系统识别股骨及机械臂台车底座上的标靶，得到机器人坐标系到股骨坐标系的变换关系：用旋转矩阵、平移向量描述机器人坐标系和股骨坐标系之间的空间位置关系，由求解出的旋转矩阵和平移向量建立机器人坐标系和股骨坐标系的对应关系，实现股骨部件的精确定位。

于是，每一点在机器人坐标系下的坐标都能通过变换成股骨坐标系坐标，有效快速地求解出股骨坐标系——机器人坐标系的坐标变换关系，实现股骨部件的精确定位。

<变形例>

在医生等用户手动或借助于辅助装置规划步骤时，例如也可以通过识别股骨和胫骨等上的解剖标志，来确定各种解剖学参考(例如，机械轴)。

在上述实施例中，调整植入物的位置和方向的目标针对的是冠状面内期望的临床内翻-外翻，同理，也可以针对轴面内期望的临床内-外，以及矢状面内期望的屈曲-伸展。

根据本发明，可以首先针对膝关节(股骨远端或胫骨近端)进行CT扫描等，建立膝关节的三维模型；利用获得的空间位置参数在三维建模软件中建立虚拟成像空间；在膝关节的三维模型中选取上述条件所规定的各个特征点，获得相应的位置信息；还可以获得用于规划TKA的各个平面，包括冠状面、矢状面以及轴面。例如，可以将股骨冠状面创建为通过股骨后髁轴和髋关节中心。

由此可提供在临床建立的标准参考系中将植入物部件对准和定位到股骨模型的基础。

关于股骨的几何参数，可在计算机辅助绘图软件(例如Solidworks)中选取而生成。

上述坐标系可以基于下肢的髋关节中心或膝关节中心而建立。例如，可将股骨坐标系的原点定位于膝关节中心。将股骨坐标系的Y轴方向设置为从膝关节中心至髋关节中心。将股骨坐标系的Z轴方向设置为垂直于股骨冠状面并从下肢的后部延伸至前部。还可根据右手定则设置股骨坐标系的X轴方向。这样，建立了股骨坐标系。

<本发明的优点>

根据本发明的系统，可自动输出植入物和骨骼之间的变换，其可以由计算机辅助手术系统容易地使用。从而实现可靠的植入物对齐和术后临床结果。

优选地，通过上述逆向推导的转换坐标关系，可以适用于手术机器人的自动或半自动操作。从而可以供机器人手术系统自动地规划对齐目标，实现期望的结果。

根据本发明的系统，能够自动将植入物与骨骼对齐，医生只需通过术前向计算机系统导入植入物模型，以提供植入物的位置和方向的数据即可，从而可以大大减少创建术前规划、以及术中截骨定位所花费的时间。

根据本发明的系统，能够以最小的用户介入自动地将植入物对准骨骼。允许在与临床对齐目标或临床方向相对应的方向上，相对于骨骼放置植入物，而不管植入物的预先调整位置和方向。

根据本发明，可根据患者下肢的解剖与病变，准确恢复下肢力线，进行精确的假体植入。从而在关节置换手术中，可正确地安装人工关节假体，使关节部件之间的相对运动的接触和摩擦得到优化。

根据股骨尺寸选择假体型号，又可以根据假体形状进行术前方案设计，手术中机器人执行关键操作，手术精度高、术后恢复顺利。

此外，本文所描述的植入物作为可用于替代骨头的整体或一部分，相当于骨科中常说的植入物或假体，即，可理解为包括用于膝关节置换的假体。该假体可用于在内部固定骨折或受损的破损部分。

在以上的约束条件中，限定了将植入物中间空白区域N二等分的情况，然而，应当理解，在本文中的“二等分”也包含因个体、族类差异而存在偏离地一分为二的两分情况。

尽管已经参考各种具体实施例描述了本发明，但是应当理解，可以在所描述的发明构思的精神和范围内做出变形。因此，意图是本发明不限于所描述的实施例，而是将具有由所附权利要求的语言所定义的全部范围。对于本领域技术人员不言而喻的是，根据本发明公开的内容而能够容易想到的技术方案也应当视为等同或相当而落在本发明的范围内。