[发明专利]胫骨假体与胫骨的拟合方法及机器人手术系统

说明书

本发明提供一种膝关节假体胫骨组件与股骨的拟合方法，用以精确地达成的虚拟对齐。通过确定所述截骨平面的平面方程式，使得当所述胫骨假体与所述胫骨近端接合成对齐状态时，满足预定条件，拟合方法包括：1）在计算机装置中建立胫骨坐标系，2）获取胫骨假体坐标系，设要向胫骨坐标系转换的胫骨假体坐标为X；3）基于所述条件，求解胫骨坐标系与胫骨假体坐标系之间的变换矩阵F（x）=Q+TX，得出变换矩阵T、平移矢量Q。本发明还提供一种机器人手术系统，包括机械手末端，用于建立胫骨坐标系的计算机装置，用于获取拟植入人体的植入物的胫骨假体坐标系的数据采集装置，基于所得出的变换矩阵T、平移矢量Q，将胫骨假体植入胫骨近端。

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胫骨假体与胫骨的拟合方法。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）是一种用于置换膝关节表面的外科手术。成功的TKA的基础之一是实现植入物（又称假体）的机械对准。TKA中的机械校准（MA）旨在将股骨和胫骨（例如，植入物部件钉柱所在的基面）垂直于各自骨骼的机械轴。这样可以获得0°的肢体髋-膝-踝角（HKA）。下肢的机械轴是一条从股骨头中心延伸到脚踝中心的线，通常穿过膝关节中心。从股骨头中心到膝关节股骨中心的这条线被定义为股骨机械轴，而从膝关节胫骨中心到踝关节中心的线被称为胫骨机械轴。在正常下肢伸直位情况下，股骨和胫骨的这两个轴成一直线（角度为0°）。

传统地，可以通过CT扫描、MRI、X射线和超声成像等，将图像载入计算机系统中，由2D图像构建解剖学特征的3D模型。例如，在如此生成包括膝关节假体胫骨组件（胫骨假体）和胫骨的3D骨模型之后，计算机软件可创建膝关节的虚拟运动范围。

传统的制造中，通过3D骨模型的表面分析，来定制植入物。然而，无论是个别定制的还是按人群定制的植入物，都需要最佳地拟合患者解剖结构的胫骨假体与胫骨之间的匹配，即要进行所谓假体的模拟装配，以谋求精确地将胫骨部件配合连接于胫骨近端的胫骨截骨面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的方法，用以达成膝关节假体胫骨组件（胫骨假体）和胫骨的虚拟对齐。相比传统的点对点配准方法，能够将假体更为精确地装配到膝关节相应位置。

根据本发明的一方面，提供一种膝关节假体胫骨组件与胫骨的拟合方法，该胫骨组件作为胫骨假体形成有与胫骨近端的截骨平面接触的底面，其中，

当所述胫骨假体与所述胫骨近端接合成对齐状态时，满足以下条件：

Ⅰ）所述截骨平面上AP线的投影与胫骨内外侧线的投影的交点(O₁)对应于所述胫骨假体的中心(O)；

Ⅱ）胫骨假体中线上的一个点与另一个点（I₁、I₂），位于所述AP线在所述截骨平面上的投影线（L₃）上；和

Ⅲ）到所述截骨平面的单位矢量垂直于所述胫骨假体的底面，

所述拟合方法包括如下步骤：

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

其中，所述特征点选自：踝关节中心（AK）、膝关节胫骨中心（K）、PCL胫骨止点、胫骨结节中内1/3点、内侧平台和外侧平台；

2）获取胫骨假体坐标系，其中，设要向所述胫骨坐标系转换的胫骨假体坐标为X；

3）基于所述条件，求解所述胫骨坐标系与所述胫骨假体坐标系之间的变换矩阵F（x）= Q + TX，得出变换矩阵T、平移矢量Q，

其中，T是3×3矩阵，允许在所述条件下从所述胫骨假体坐标系到所述胫骨坐标系的矢量转换； Q是3×1矢量，表示必要的平移用以匹配所述胫骨的点和所述胫骨假体的底面。