CN111938813A - 一种髋关节翻修手术的术前规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种髋关节翻修手术的术前规划方法，包括：获取患者的骨盆CT数据并重建骨盆三维模型；在骨盆三维模型上进行数据测量；将镜像健侧髋骨三维模型与患侧髋骨三维模型进行配准，确定患侧髋臼中心点位置；在患侧髋骨三维模型中模拟髋臼杯假体安放，确定髋臼杯假体型号；模拟安装髋臼杯假体三维模型，若安装后患侧髋臼仍有缺损，则选定髋臼杯垫块的数量及位置或使用cup‑on‑cup技术填充；确定股骨柄假体型号和球头假体的型号。本发明能够在术前精准确定髋臼缺损区域并制定合理的手术方案，缩短学习曲线，提高手术精确度，降低手术复杂程度，减少手术时间，降低患者在术中的出血量，缩短术后恢复时间。
Description
技术领域
本发明涉及医学骨科手术领域，尤其是一种髋关节翻修手术的术前规划方法。
背景技术
人工全髋关节翻修(Revision of Total Hip Arthroplasy，RTHA)是指全髋关节置换术(Total Hip Arthroplasty，THA)术后因出现假体松动、下沉、感染、反复脱位等因素，导致患者关节疼痛伴活动受限，需要对人工关节重新翻修的手术。随着现在社会人均寿命的增加、人口老龄化的加重和人们对生活质量的要求越来越高，使得接受THA的患者数量显著增加，从而也使得接受RTHA的人数也不断增长。
髋臼假体松动和髋臼骨缺损是人工髋关节翻修术中面临的主要难题，其通常由以下因素造成：(1)初次手术中骨量的丢失以及多次翻修术对骨质的破坏；(2)磨损颗粒、假体松动以及感染造成的骨溶解；(3)取出假体或水泥时造成的骨量丢失；(4)既往存在骨盆骨折、髋关节发育不良在初次手术中未能纠正。伴随骨缺损的髋关节翻修手术既往高度依赖术者的临床经验和手术技巧，手术的精确性和安全性没有充分保障，这点是关节外科医生的治疗难点。
如何在术前精准确定髋臼缺损区域，并根据髋臼缺损区域制定合理的手术方案，一直是本发明根本出发点。从医生的角度考虑，通过本发明，可以提前确定手术方案，让手术变得更加心中有数，更加安全可靠，也可以降低手术的困难程度，并且可以降低医生的学习曲线等。从患者的角度考虑，通过本发明，可以降低术中的出血量，算短术后恢复时间等。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种髋关节翻修手术的术前规划方法，能够在术前精准确定髋臼缺损区域，并根据髋臼缺损区域制定合理的手术方案，实现缩短全髋关节翻修手术的学习曲线，提高手术的精确度、降低手术的复杂程度，减少手术时间，使手术实现精准化、个性化、简单化。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种髋关节翻修手术的术前规划方法，包括以下步骤：
步骤1：获取患者的骨盆CT薄层扫描影像数据，所述影像数据包括下全骨盆及其两侧髋关节的影像，并根据影像数据重建患者的骨盆三维模型，并分割出患侧髋臼与股骨近端三维模型、健侧髋臼与股骨近端三维模型；
步骤2：在骨盆三维模型上进行数据测量，包括：患侧髋臼缺损尺寸、健侧髋臼尺寸、健侧股骨头尺寸、患侧股骨髓腔直径、患侧髋臼底部壁厚；健侧髋臼尺寸、健侧股骨头尺寸用于为患侧股骨头假体和髋臼杯假体提供数据参考；
步骤3：将健侧髋骨与股骨近端三维模型转换为镜像健侧髋骨与股骨近端三维模型，并将镜像健侧髋骨三维模型与患侧髋骨三维模型进行配准，其中，髋臼侧以髂前上棘、髂前下棘、髂后上棘为基准点，利用N points registration多点配准法进行匹配，股骨侧以小粗隆、大粗隆为特征点采用多点配准法进行匹配；
步骤4：根据配准后的镜像健侧髋骨三维模型和患侧髋骨三维模型，确定患侧髋臼中心点位置；
步骤5：根据患侧髋臼中心点位置和患侧髋臼缺损尺寸在患侧髋骨三维模型中模拟髋臼杯假体安放，髋臼杯假体的中心点位置与所述患侧髋臼中心点位置重合，并确定髋臼杯假体的型号并测量其前倾角和外展角，生成髋臼杯假体三维模型；
步骤6：将髋臼杯假体三维模型模拟安装在患侧髋骨三维模型中，若安装后患侧髋臼无缺损，则转步骤7；若安装后患侧髋臼仍有缺损，则选择合适尺寸的髋臼杯垫块安放在缺损区域，并确定髋臼杯垫块的数量及安放位置，生成髋臼杯垫块三维模型并模拟安装在患侧髋骨三维模型中，或使用cup-on-cup技术填充缺损区域；
步骤7：根据测得的患侧股骨髓腔直径确定股骨柄假体的型号，并生成股骨柄假体三维模型；根据测得的患侧髋臼底部壁厚确定髋臼磨挫时可研磨的最大深度，并根据髋臼大小确定球头假体的型号，生成球头假体三维模型，所述球头假体安装在股骨柄假体上。
进一步的，本发明的髋关节翻修手术的术前规划方法，步骤1中的影像数据的格式为Dicom，图像层厚≤1mm。
进一步的，本发明的髋关节翻修手术的术前规划方法，步骤1中的骨盆三维模型、步骤5中的髋臼杯假体三维模型、步骤6中的髋臼杯垫块三维模型、步骤7中的股骨柄假体三维模型和球头假体三维模型均存储为STL格式。
进一步的，本发明的髋关节翻修手术的术前规划方法，步骤4中通过调节镜像健侧髋骨模型的透明度来动态观察并获取患侧髋骨模型中髋臼的骨缺损情况。
进一步的，本发明的髋关节翻修手术的术前规划方法，步骤4中确定患侧髋臼中心点位置的方法具体为：把镜像健侧髋骨三维模型中的髋臼拟合成球1，所述球1的球心即为镜像健侧髋骨三维模型的髋臼中心点，同时该髋臼中心点所在的位置也是患侧髋臼中心点的位置。
进一步的，发明的髋关节翻修手术的术前规划方法，髋臼杯假体的外展角为40°±10°、前倾角为15°±10°。
进一步的，发明的髋关节翻修手术的术前规划方法，步骤2中患侧髋臼缺损尺寸的测量方法具体为：采集患侧的多个残留髋臼壁为样本，并模拟成球体，球体与髋臼之间腔隙即为缺损部位，测量该缺损部位的尺寸即得到患侧髋臼缺损尺寸。
进一步的，发明的髋关节翻修手术的术前规划方法，步骤6中选择髋臼杯垫块的步骤为：利用镜像健侧髋臼模型减去患侧髋臼及髋臼杯假体，得出缺损块，先选择最小尺寸的髋臼杯垫块试安装，如果不合适则增大一号垫块，直至选择到合适尺寸的垫块；或测量出缺损块的尺寸，直接选择合适尺寸的垫块。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、发明的髋关节翻修手术的术前规划方法能够在术前精准确定髋臼缺损区域，并根据髋臼缺损区域制定合理的手术方案。
2、发明的髋关节翻修手术的术前规划方法能缩短全髋关节翻修手术的学习曲线，提高手术的精确度，降低手术的复杂程度，同时减少手术时间。
3、发明的髋关节翻修手术的术前规划方法使手术实现精准化、个性化、简单化，降低患者在术中的出血量，缩短术后恢复时间。
附图说明
图1是本发明的髋关节翻修手术的术前规划方法的流程图。
图2是步骤1中根据CT影像数据重建的骨盆三维模型的效果图。其中：图2A为冠状面CT数据，图2B为横断面CT数据，图2C为矢状面CT数据，图2D为骨盆三维模型。
图3是患者骨盆(包括两侧髋关节)三维模型。
图4是患侧髋臼区域和缺损区域图，图4A为患侧髋臼的主视图，图4B为患侧髋臼的剖面图。
图5是患侧髋臼区域图，图5A为患侧髋臼的主视图，图5B为患侧髋臼的剖面图。
图6是髋臼杯假体和髋臼杯垫块安放效果图，图6A是安放后的患侧髋臼主视图，图6B是安放后的患侧髋臼剖面图。
图7是患者术前X线图，图7A是术前骨盆正位片(包括两侧髋关节)，图7B是术前右侧髋关节侧位片。
图8是患者术后X线图，图8A是术后骨盆正位片(包括两侧髋关节)，图8B是术后右侧髋关节侧位片。
附图标记含义：图3中①为骶骨三维模型，②为患侧髋骨三维模型，③为患侧股骨柄假体三维模型，④为患侧髋臼杯假体三维模型，⑤为患侧股骨三维模型，⑥为健侧髋骨三维模型，⑦为健侧股骨三维模型。图6中①为患侧髋骨三维模型，②为髋臼杯假体模型，③为髋臼杯垫块模型。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
一种髋关节翻修手术的术前规划方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：获取患者的骨盆CT薄层扫描影像数据，如图7所示，所述影像数据包括下全骨盆及其两侧髋关节的影像，影像数据的格式为Dicom，图像层厚≤1mm。在计算机软件中根据影像数据重建患者的骨盆三维模型，并分割出患侧髋臼与股骨近端三维模型、健侧髋臼与股骨近端三维模型，存储为STL格式。如图2所示，计算机软件中会出现4个小窗口，分别为：图2A为冠状面CT数据，图2B为横断面CT数据，图2C为矢状面CT数据，图2D为骨盆三维模型。
步骤2：如图3所示，在骨盆三维模型上进行数据测量，包括：患侧髋臼缺损尺寸、健侧髋臼尺寸、健侧股骨头尺寸、患侧股骨髓腔直径、患侧髋臼底部壁厚。其中，患侧髋臼缺损尺寸的测量方法具体为：采集患侧的多个残留髋臼壁为样本，并模拟成球体，球体与髋臼之间腔隙即为缺损部位，测量该缺损部位的尺寸即得到患侧髋臼缺损尺寸。
步骤3：将健侧髋骨与股骨近端三维模型转换为镜像健侧髋骨与股骨近端三维模型，并将镜像健侧髋骨三维模型与患侧髋骨三维模型进行配准，其中，髋臼侧以髂前上棘、髂前下棘、髂后上棘为基准点，利用N points registration多点配准法进行匹配，股骨侧以小粗隆、大粗隆为特征点采用多点配准法进行匹配。
步骤4：根据配准后的镜像健侧髋骨三维模型和患侧髋骨三维模型，通过调节镜像健侧髋骨模型的透明度来动态观察并获取患侧髋骨模型中髋臼的骨缺损情况，确定患侧髋臼中心点位置，具体为：把镜像健侧髋骨三维模型中的髋臼拟合成球1，所述球1的球心即为镜像健侧髋骨三维模型的髋臼中心点，同时该髋臼中心点所在的位置也是患侧髋臼中心点的位置。如图4、图5所示，图4A和图4B中的虚线区域即髋臼区域和缺损区域，术前在计算机软件上测量患侧髋臼区域和缺损区域的数值，包括整个区域的长度L1、宽度W1和深度D1。图5A和图5B中的网格线区域即髋臼区域，术前在计算机软件上测量患侧髋臼区域数值，包括整个区域的长度L2、宽度W2和深度D3。
步骤5：根据患侧髋臼中心点位置和患侧髋臼缺损尺寸在患侧髋骨三维模型中模拟髋臼杯假体安放，髋臼杯假体的中心点位置与所述患侧髋臼中心点位置重合，并确定髋臼杯假体的型号并测量其前倾角和外展角，生成髋臼杯假体三维模型，存储为STL格式。髋臼杯假体的外展角为40°±10°、前倾角为15°±10°。
步骤6：将髋臼杯假体三维模型模拟安装在患侧髋骨三维模型中，若安装后患侧髋臼无缺损，则转步骤7；若安装后患侧髋臼仍有缺损，则选择合适尺寸的髋臼杯垫块安放在缺损区域，并确定髋臼杯垫块的数量及安放位置，生成髋臼杯垫块三维模型且存储为STL格式，并模拟安装在患侧髋骨三维模型中，或使用cup-on-cup技术填充缺损区域。其中，选择髋臼杯垫块的步骤为：利用镜像健侧髋臼模型减去患侧髋臼及髋臼杯假体，得出缺损块，先选择最小尺寸的髋臼杯垫块试安装，如果不合适则增大一号垫块，直至选择到合适尺寸的垫块；或测量出缺损块的尺寸，直接选择合适尺寸的垫块。
如图6所示，图6A是安放后的患侧髋臼主视图，图6B是安放后的患侧髋臼剖面图。根据测量到的长度L1、L2，宽度W1、W2和深度D1、D2，选择合适型号的髋臼杯假体和髋臼杯垫块，然后将髋臼杯假体和髋臼杯垫块的STL格式文件导入到计算机软件中，在计算机软件中模拟髋臼杯假体和髋臼杯垫块的安放。在安放髋臼杯假体时，要保证髋臼杯假体外展角为40°±10°、前倾角为15°±10°。
步骤7：根据测得的患侧股骨髓腔直径确定股骨柄假体的型号，并生成股骨柄假体三维模型且存储为STL格式；根据测得的患侧髋臼底部壁厚确定髋臼磨挫时可研磨的最大深度，髋臼磨挫后一般直径会扩大1～2mm，并根据髋臼大小确定球头假体的型号，生成球头假体三维模型且存储为STL格式，所述球头假体安装在股骨柄假体上。
患者根据术前规划方法进行手术后的X线影像数据如图8所示。
本发明根本出发点是如何在术前精准确定髋臼缺损区域，并根据髋臼缺损区域制定合理的手术方案。从医生的角度考虑，通过本发明的方法可以提前确定手术方案，术前确定髋臼中心点位置、髋臼臼杯假体型号、臼杯安放方案、髋臼垫块数量、球头假体型号和股骨柄假体型号，从而可以缩短全髋关节翻修手术的学习曲线，让手术变得更加心中有数，更加安全可靠，也可以提高手术的精确度，降低手术的困难程度，减少手术时间，使手术实现精准化、个性化、简单化，并且可以降低医生的学习曲线等。从患者的角度考虑，通过本发明的方法可以降低术中的出血量，缩短术后恢复时间等。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种髋关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取患者的骨盆CT薄层扫描影像数据，所述影像数据包括下全骨盆及其两侧髋关节的影像，并根据影像数据重建患者的骨盆三维模型，并分割出患侧髋臼与股骨近端三维模型、健侧髋臼与股骨近端三维模型；
步骤2：在骨盆三维模型上进行数据测量，包括：患侧髋臼缺损尺寸、健侧髋臼尺寸、健侧股骨头尺寸、患侧股骨髓腔直径、患侧髋臼底部壁厚；
步骤3：将健侧髋骨与股骨近端三维模型转换为镜像健侧髋骨与股骨近端三维模型，并将镜像健侧髋骨三维模型与患侧髋骨三维模型进行配准，其中，髋臼侧以髂前上棘、髂前下棘、髂后上棘为基准点，利用N points registration多点配准法进行匹配，股骨侧以小粗隆、大粗隆为特征点采用多点配准法进行匹配；
步骤4：根据配准后的镜像健侧髋骨三维模型和患侧髋骨三维模型，确定患侧髋臼中心点位置；
步骤5：根据患侧髋臼中心点位置和患侧髋臼缺损尺寸在患侧髋骨三维模型中模拟髋臼杯假体安放，髋臼杯假体的中心点位置与所述患侧髋臼中心点位置重合，并确定髋臼杯假体的型号并测量其前倾角和外展角，生成髋臼杯假体三维模型；
步骤6：将髋臼杯假体三维模型模拟安装在患侧髋骨三维模型中，若安装后患侧髋臼无缺损，则转步骤7；若安装后患侧髋臼仍有缺损，则选择合适尺寸的髋臼杯垫块安放在缺损区域，并确定髋臼杯垫块的数量及安放位置，生成髋臼杯垫块三维模型并模拟安装在患侧髋骨三维模型中，或使用cup-on-cup技术填充缺损区域；
步骤7：根据测得的患侧股骨髓腔直径确定股骨柄假体的型号，并生成股骨柄假体三维模型；根据测得的患侧髋臼底部壁厚确定髋臼磨挫时可研磨的最大深度，并根据髋臼大小确定球头假体的型号，生成球头假体三维模型，所述球头假体安装在股骨柄假体上。
2.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，步骤1中的影像数据的格式为Dicom，图像层厚≤1mm。
3.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，步骤1中的骨盆三维模型、步骤5中的髋臼杯假体三维模型、步骤6中的髋臼杯垫块三维模型、步骤7中的股骨柄假体三维模型和球头假体三维模型均存储为STL格式。
4.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，步骤4中通过调节镜像健侧髋骨模型的透明度来动态观察并获取患侧髋骨模型中髋臼的骨缺损情况。
5.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，步骤4中确定患侧髋臼中心点位置的方法具体为：把镜像健侧髋骨三维模型中的髋臼拟合成球1，所述球1的球心即为镜像健侧髋骨三维模型的髋臼中心点，同时该髋臼中心点所在的位置也是患侧髋臼中心点的位置。
6.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，髋臼杯假体的外展角为40°±10°、前倾角为15°±10°。
7.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，步骤2中患侧髋臼缺损尺寸的测量方法具体为：采集患侧的多个残留髋臼壁为样本，并模拟成球体，球体与髋臼之间腔隙即为缺损部位，测量该缺损部位的尺寸即得到患侧髋臼缺损尺寸。
8.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术的术前规划方法，其特征在于，步骤6中选择髋臼杯垫块的步骤为：利用镜像健侧髋臼模型减去患侧髋臼及髋臼杯假体，得出缺损块，先选择最小尺寸的髋臼杯垫块试安装，如果不合适则增大一号垫块，直至选择到合适尺寸的垫块；或测量出缺损块的尺寸，直接选择合适尺寸的垫块。
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