[发明专利]形成关节的两骨块所成角度的测算方法与装置

说明书

本发明提供对形成关节的两骨块所成角度的测算方法与装置，能用于计算机辅助膝关节置换术中膝关节屈曲、外翻和内翻角度的实时测量。其中利用光学跟踪系统来建立3维虚拟骨骼模型的坐标系与从实际骨骼表面采集的标志的坐标系之间的转换关系，利用从模型中提取的标志点来求取各角度，标志点选自：髋关节中心H、股骨膝关节中心FK、外上髁LE、内上髁ME、胫骨膝关节中心TK、胫骨结节TB和踝关节中心AK，包括：求取股骨机械轴方向向量及胫骨机械轴方向向量；求取膝关节围绕矢状面上的横轴的屈曲运动时的屈曲角度。外翻和内翻角度可通过在冠状面Pc或横切面投影股骨轴线和胫骨轴线来确定。还相应地提供手术机器人系统和存储介质及测算装置。

技术领域

本发明涉及一种对形成关节的两骨块所成角度的测算方法，尤其是用于计算机辅助膝关节置换术中膝关节屈曲、外翻和内翻角度的实时测量的方法。

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的机械对准。TKA中的机械对准（MA）旨在将股骨和胫骨组件垂直于每个骨的机械轴定位。这样可以获得0°的肢体髋-膝-踝角（∠HKA）。下肢（腿部）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中心的这条线的股骨部分被定义为股骨机械轴，而从胫骨中心到踝关节中心部分被称为胫骨机械轴。在正常情况下，股骨机械轴和胫骨机械轴的角度为0°。

在手术过程中，需要不断检查活动腿的屈曲、内翻和外翻角度，以验证植入物的有效性。因而精确地实时测定各角度，对医生正确地安装人工关节假体、更好地监测与评估患者的状况有着十分重要的意义。

以往存在利用2维或3维配准的在体测量技术作为测量膝关节运动姿态的方法，但是过程复杂，计算效率相对较低。即便利用光学追踪系统的测量方法，也停留于测量膝关节运动姿态、空间位置，而没有涉及进一步精确地获得例如膝关节屈曲、外翻和内翻角度等参数。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种对形成关节的两骨块所成角度的测算方法，其能够尤其是用于计算机辅助膝关节置换术中膝关节屈曲、外翻和内翻角度的实时测量。

根据本发明的一方面，提供一种形成关节的两骨块所成角度的测算方法，用于计算机辅助手术导航系统，其中，利用光学跟踪系统来建立3维虚拟骨骼模型的坐标系与从实际骨骼表面采集的标志的坐标系之间的转换关系，其中，利用从3维虚拟骨骼模型中提取的标志点，来求取角度，其中，标志点包括：髋关节中心H、股骨膝关节中心FK、胫骨膝关节中心TK、踝关节中心AK，还包括如下步骤：

求取股骨机械轴方向向量：，（式3），以及

胫骨机械轴方向向量：，（式4）；

由此，作为角度，求取膝关节在矢状面上（围绕矢状面上的横轴）的屈曲运动时的屈曲角度:

，（式5）。

优选地，标志点还包括胫骨结节TB，还包括如下步骤：从3维虚拟骨骼模型中取一条穿过胫骨结节TB并垂直于胫骨机械轴的线Ld，求线Ld的方向向量与股骨机械轴的方向向量之间的夹角α_df，以表示胫骨机械轴相对于股骨机械轴的倾斜方向。

优选地，如果夹角α_af为90°角，则判定胫骨朝前或后方向倾斜为零；如果夹角α_df大于90°，则判定屈曲角度α_f为正，且胫骨机械轴朝后方向倾斜；如果夹角α_df小于90°，则判定屈曲角度α_f为负，且胫骨机械轴向前倾斜。

优选地，标志点还包括外上髁LE和内上髁ME，当屈曲角度在0°α_f60°或120°α_f160°范围内时，将由的髋关节中心H、外上髁LE、内上髁ME定义的冠状面P_c用作为投影面，基于向量、在冠状面P_c上的投影来确定外翻角和内翻角，投影基于下式进行计算：设向量是向量的在一个具有法向量的投影面上的投影，则