基于假体传感器的膝关节软组织张紧度检测方法
发布时间：2021-07-10 14:53
全膝关节置换术是治疗严重骨关节炎患者获得长期、良好疗效的标准方法。其主要流程包括术前规划、截骨、假体安装、软组织平衡等,其中软组织平衡环节目的是确保正确的关节力线,保持关节接触点在正常的生理位置。但是在全膝关节置换术中传统的软组织平衡评估方法是通过关节间隙间接判断软组织的张力情况,但是这种方法依赖医生的经验并带有一定的主观性。为了帮助医生更轻松准确的评估软组织平衡情况,本文设计了一种基于关节植入式假体传感器的软组织张力评估方法。本文在术前规划环节提出了一种膝关节X光影像自动诊断处理的策略,在图像上自动规划出截骨平面。针对手术中病人的关节环境,本文建立了以求解韧带张力为目标的动力学模型,该动力学模型中不用任何材料模型描述侧副韧带,而是通过增加假体传感器的方法来为平衡方程增加求解所需的已知量。随后通过有限元方法分析了屈膝过程中假体和韧带的应力变化情况及关节角度变化。假体传感器系统的设计以标准假体的点云数据为基础,使用柔性压力薄膜作为测量元件并结合有限元分析的应力数据使用遗传算法对感应元件的布局进行了优化,数据采集卡被用于信号采集,在QT软件上设计了相应的软件界面。使用砝码对假体传感器的各个...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
关节间隙测量法[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-够。针对这一复杂的分类任务，需要从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诊断策略会更加适应这一任务。图1-2Siamese网络结构[15]目前，骨组织三维重建的数据主要来源于CT或MRI断层医学影像。CT可以清晰显示骨组织结构，但不容易识别软组织。而MRI则对关节周围的软组织有着清晰的成像，并且可清晰显示关节囊、表面软骨、韧带和半月板等结构。利用CT和MRI的扫描数据可以建立包含骨骼结构和软组织的完整膝关节三维模型。模型可用于结构测量分析、虚拟手术仿真和膝关节生物力学分析等术前规划操作。2015年，EmilyA.Lalone等人以人肘关节骨骼作为研究样本，评估了CT建模的准确性[16]。该研究以激光扫描仪的数据作为基准，评价CT建模精度，结果显示：肘关节软组织点云数据的平均误差约为0.3mm，误差小于0.5mm的点占88%，误差小于0.25mm的点占64%；肘关节骨组织（肱骨、尺骨）点云数据的平均误差约为0.4mm，误差小于0.5mm的点占88%，误差小于0.25mm的点占56%，总体建模精度满足手术要求。基于MRI的三维图像重建对软组织具有较好的分辨率，建模精度大致在0.5×0.5×0.5mm[15]。A.Costa评估了MRI三维成像在下颌关节诊断中的应用效果[18]，结果显示该技术对关节诊断效果优良。此外，国内外开发了大量医学影像处理软件和专业软件库，例如美国宾夕法尼亚大学MIPG小组的3Dviewnix系统、麻省理工的3Dslice，以及ITK和VGL软件平台库等。此外还有针对膝关节软骨全自动分割算法的研究。到目前为止由经过培训的专家手动描绘软骨边界仍然是最常用的技术。这是一个非常费力且耗时的过程，根据图像大小，质量和特定患者的疾病阶段，每个膝盖分割可能长达几个小时。此外，由于手工误差，该方法的重复性
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3兔膝三维模型重建[20]1.3关节假体传感器研究现状对人工膝关节植入物的研究已经开始了好几年，Tcscan的I-scan4000传感器是专为胫股关节测量而设计的，它是两个单独的片状传感器的组合，直接植入胫股关节两侧的关节空间。美国的orthosensor公司在2012年推出了一款名叫smarttrials的关节垫片传感器[21]，该传感器与膝关节标准垫片假体外形相似，表面采用柔性材料制造，将受力传递给内部的测量元件。内外侧室分别放置了三个电容式压力传感器，可以检测股骨胫骨之间两个侧室垂直方向的接触集中力的大小和方向，并开发了实时显示的界面，如图1-4所示。图1-4smarttrials软件界面[21]国内对关节传感器研究也有开展。清华大学微电子所在2016年研制了膝关节应力无线检测系统(WirelessForceMeasurementSystem，WFMS)测量术中膝关节内应力分布[22]。该智能垫片将PCB板安装在表层下，板上集成了8个电子式压力传感器。将这种WFMS放置到膝关节间隙中，可将胫股关节间的压力信息转化为压力传感器的电信号，通过无线通讯芯片将信息传递给终端的软件的界面，经过简单的计算后，关节间的内外侧应外侧应力结果可以显示在软件界面上。这种实时的反馈机制能够让手术医生评估当前的不同角度下软组织平衡情况，便于医生进行调
【参考文献】：
期刊论文
[1]人工全膝关节置换术中智能关节内应力测量系统与传统软组织平衡评估方法的比较研究[J]. 唐浩,郭盛杰,陈虹,杨德金,蒋毅,张春雨,周一新. 骨科临床与研究杂志. 2016(01)
[2]全髋关节置换假体位置的确定方法及生物力学特性[J]. 戚大春,安新荣. 中国组织工程研究. 2016(26)
[3]行人膝关节韧带的建模及验证研究[J]. 张冠军,曹立波,官凤娇,张勇,Yang King H.. 汽车工程. 2012(01)
博士论文
[1]膝关节力学建模与屈曲运动生物力学特性研究[D]. 王建平.上海交通大学 2010
[2]膝关节置换术中软组织平衡相关应用解剖及生物力学研究[D]. 余正红.南方医科大学 2008
本文编号：3276125
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
关节间隙测量法[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-够。针对这一复杂的分类任务，需要从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诊断策略会更加适应这一任务。图1-2Siamese网络结构[15]目前，骨组织三维重建的数据主要来源于CT或MRI断层医学影像。CT可以清晰显示骨组织结构，但不容易识别软组织。而MRI则对关节周围的软组织有着清晰的成像，并且可清晰显示关节囊、表面软骨、韧带和半月板等结构。利用CT和MRI的扫描数据可以建立包含骨骼结构和软组织的完整膝关节三维模型。模型可用于结构测量分析、虚拟手术仿真和膝关节生物力学分析等术前规划操作。2015年，EmilyA.Lalone等人以人肘关节骨骼作为研究样本，评估了CT建模的准确性[16]。该研究以激光扫描仪的数据作为基准，评价CT建模精度，结果显示：肘关节软组织点云数据的平均误差约为0.3mm，误差小于0.5mm的点占88%，误差小于0.25mm的点占64%；肘关节骨组织（肱骨、尺骨）点云数据的平均误差约为0.4mm，误差小于0.5mm的点占88%，误差小于0.25mm的点占56%，总体建模精度满足手术要求。基于MRI的三维图像重建对软组织具有较好的分辨率，建模精度大致在0.5×0.5×0.5mm[15]。A.Costa评估了MRI三维成像在下颌关节诊断中的应用效果[18]，结果显示该技术对关节诊断效果优良。此外，国内外开发了大量医学影像处理软件和专业软件库，例如美国宾夕法尼亚大学MIPG小组的3Dviewnix系统、麻省理工的3Dslice，以及ITK和VGL软件平台库等。此外还有针对膝关节软骨全自动分割算法的研究。到目前为止由经过培训的专家手动描绘软骨边界仍然是最常用的技术。这是一个非常费力且耗时的过程，根据图像大小，质量和特定患者的疾病阶段，每个膝盖分割可能长达几个小时。此外，由于手工误差，该方法的重复性
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3兔膝三维模型重建[20]1.3关节假体传感器研究现状对人工膝关节植入物的研究已经开始了好几年，Tcscan的I-scan4000传感器是专为胫股关节测量而设计的，它是两个单独的片状传感器的组合，直接植入胫股关节两侧的关节空间。美国的orthosensor公司在2012年推出了一款名叫smarttrials的关节垫片传感器[21]，该传感器与膝关节标准垫片假体外形相似，表面采用柔性材料制造，将受力传递给内部的测量元件。内外侧室分别放置了三个电容式压力传感器，可以检测股骨胫骨之间两个侧室垂直方向的接触集中力的大小和方向，并开发了实时显示的界面，如图1-4所示。图1-4smarttrials软件界面[21]国内对关节传感器研究也有开展。清华大学微电子所在2016年研制了膝关节应力无线检测系统(WirelessForceMeasurementSystem，WFMS)测量术中膝关节内应力分布[22]。该智能垫片将PCB板安装在表层下，板上集成了8个电子式压力传感器。将这种WFMS放置到膝关节间隙中，可将胫股关节间的压力信息转化为压力传感器的电信号，通过无线通讯芯片将信息传递给终端的软件的界面，经过简单的计算后，关节间的内外侧应外侧应力结果可以显示在软件界面上。这种实时的反馈机制能够让手术医生评估当前的不同角度下软组织平衡情况，便于医生进行调
【参考文献】：
期刊论文
[1]人工全膝关节置换术中智能关节内应力测量系统与传统软组织平衡评估方法的比较研究[J]. 唐浩,郭盛杰,陈虹,杨德金,蒋毅,张春雨,周一新. 骨科临床与研究杂志. 2016(01)
[2]全髋关节置换假体位置的确定方法及生物力学特性[J]. 戚大春,安新荣. 中国组织工程研究. 2016(26)
[3]行人膝关节韧带的建模及验证研究[J]. 张冠军,曹立波,官凤娇,张勇,Yang King H.. 汽车工程. 2012(01)
博士论文
[1]膝关节力学建模与屈曲运动生物力学特性研究[D]. 王建平.上海交通大学 2010
[2]膝关节置换术中软组织平衡相关应用解剖及生物力学研究[D]. 余正红.南方医科大学 2008
本文编号：3276125
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