计算机辅助全膝关节置换手术导航中关键测量技术的研究

针对全膝关节置换手术高质量完成需解决的软组织平衡和下肢生物力线对齐等两个关键问题，本课题组在分析当前解决此类问题优缺点的基础上，提出研制软组织平衡测量专用装置来测量膝关节周围软组织平衡，并采用光学跟踪技术辅助测量下肢生物力线及跟踪软组织平衡测量装置的测量平面位置和姿态的方法。在光学定位技术测量髋、膝和踝关节中心下，解决下肢生物力线对齐的精确、微创测量；在精密机加工、微型力传感和图像处理等技术应用上实现软可视化的组织平衡定量、数字化的精确测量。结合软组织平衡与下肢生物力线对齐，研究不同病态膝关节术中膝关节在伸屈状态下的间隙不平衡，不同软组织结构部位的松解对膝关节间隙平衡影响等问题，进而研究术后下肢生物力线和软组织平衡对假体植入的影响。通过本项目的研究，搭建计算机辅助手术导航技术平台来研究临床手术操作技术,提高人工膝关节置换的生物稳定性，并为临床手术提高人工假体在患者中的寿命分析提供研究基础。

针对全膝关节置换手术高质量完成需解决的软组织平衡和下肢生物力线对齐等两个关键问题，本课题组在国家自然科学基金的资助下，对上述的两个关键技术进行了深入的研究。1）研制了一款软组织平衡测量专用装置来测量膝关节4个位置点的压力来反映周围软组织平衡，并编制了对应的测量和显示软件，能够形象地展现膝关节中前、后、左、右侧的软组织张力大小，张力的测量精度为20g力。2）对光学跟踪技术和光学空间三维测量技术进行了扩展研究，并解决了采用光学跟踪技术辅助测量下肢生物力线的问题，利用Hough变换将本来的非线性最小二乘的问题转化为二元线性回归的问题，使算法简单，运算速度加快，并采用RANSAC算法对数据进行筛选，进而增强了算法的抗干扰能力，最终实现误差在2mm以内，计算时间小于0.5s。3）提出了一种新的光学定位技术，采用一组二维传感器（面阵CCD）和圆透镜组成的成像单元，以及两组一维传感器和柱面透镜组成的成像单元，其中两个一维传感器相互垂直。由这三个成像单元作为标志点的检测单元，分别检测得到标志点其三个成像单元上的像点和像线。在对成像单元内外方位元素的标定后，则可以重建出标志点的空间三维坐标。4）基于曲波变换的MR图像预处理研究，对初始图像进行曲波分解，以最大尺度的曲波系数重建结果作为灰度不均匀现象（Intensity Inhomogeneity，IIH）慢变场的估计，调整慢变场的权值范围后，将灰度不均匀的原始图像除以慢变场，得到IIH校正结果。第二，以图像的曲波分解系数为基础构造特征向量，结合FCM聚类算法对像素进行分类，将图像分成强边缘、噪声和弱边缘以及平滑区域3个部分。最后，根据像素分类的结果，对边缘和组织内部区域像素分别进行多尺度的锐化和平滑处理。5）设计了基于SEED-VPM642的标记点实时检测与跟踪系统，能够实时计算并在显示屏同步显示标记点的三维空间坐标，以分析步态参数，用于评价膝关节置换后的效果评价。. 通过本课题的研究，在膝关节张力测量技术、下肢力线几何测量技术、光学定位技术、核磁图像的预处理和光学跟踪技术用于步态分析等相关技术进行了基础研究。