人工膝关节置换术计算机辅助系统

人工膝关节置换计算机辅助系统
1用户需求
1.1系统的目标
在进行人工膝关节置换手术时，要考虑患者的病情、手术条件、手术设备以及所采用的人工膝关节类型等多方面的因素，因此整个过程是相当复杂和繁琐的，主治医生必须要有丰富的人工膝关节置换术经验，才有可能把手术做的更加完善，减轻病者的痛苦。

该系统旨在通过计算机辅助的手段，为人工膝关节置换术提供有效的帮助，尤其对于那些较年轻的、经验不足的医生，可以很好的为他们制定出针对每一个患者的不同的手术计划，从而极大的提高了手术的效率。

1.2系统描述
本系统主要的功能如下：患者管理、手术管理、方案管理、人工膝关节库管理以及人工膝关节设计
1.3用户特点
主要面向各医院外科手术医生，应对Windows操作环境比较熟悉。

1.4实现语言
服务器操作系统：Windows XP
客户端操作系统：Windows XP
数据库平台：Microsoft Access 2003
开发工具：Visual Basic 6.0、Autodesk Inventor 2011
2功能模块定义与描述
2.1功能构成
为了达到能够全面辅助人工膝关节置换的目的，系统设计了以下四个功能模块：（1）病人信息管理模块；（2）手术方案管理模块；（3）人工膝关节分类管理模块；（4）人工膝关节设计模块。

2.2功能描述
2.2.1病人信息管理模块
此模块主要用于完成病人基本信息管理的功能，首先通过与患者的谈话，了解患者的一些基本情况，如年龄、是否肥胖、有否金属过敏、恶劣的内科疾病，以及这些情况能不能治疗，有没有达到进行手术的条件。

然后根据术前体格检查
及拍摄的X放射线片、CT影像资料以和化验检查的情况，判断膝关节的病症范围，包括畸形及骨缺损的程度、关节的稳定性及运动范围；周围软组织情况；髌骨及髌-股关节的状况等，并将所有这些患者基本资料输入到病人信息数据库中保存起来，然后导出为Doc或者Txt格式的文档，作为下一步确定具体手术方案的依据。

另外在手术完成后，还可以把手术情况记录下来，这样一旦以后需要进行人工膝关节的翻修替换时，就能够提供很有价值的参考数据，为置换手术带来极大的方便。

1业务流程
病人信息管理业务流程
2数据及说明
病人基本信息表
病人手术信息表
除此之外，患者在手术前的准备内容也应该分别用单独的数据表记录并保存下来，因此数据库中至少还有患者体格检查表和患者X射线表两张表。

患者体格检查表
患者X射线表
2.2.2手术方案管理模块
该模块用来规划病人的总体手术方案，是正式实施手术前的一个重要步骤。

在得到患者的基本信息以后，根据实际情况，初步拟定手术计划，如选择何种人
工膝关节、部件的大小、手术的切口、切骨位置、切骨量、选择并准备手术工具，例如髓内或髓外的轴向定位器。

有时还需要考虑选用一些配用件以达到更好的效果，如用来代偿骨缺损或纠正内外翻畸形的增厚片，用来增加稳定性的延长茎等。

另外此模块划分为几个不同的小模块，分别对应几种不同的置换术类型，每个小模块都有自己的运行界面和风格，这是根据每种手术类型的特点和流程的不同而设计的。

1业务流程
总体流程人工膝关节的翻修替换
单（半）部人工膝关节置换全膝人工膝关节置换
2全膝人工膝关节置换模块
此功能模块是三个小模块中最为重要的一个，也是过程最为复杂的一个模块，在进行全膝人工膝关节置换手术时，往往要考虑到很多方面的因素，因此该模块的功能主要是辅助医生拟定手术计划，以免漏掉一些关键性的步骤，从而影响手术的顺利进行，下面详细介绍该模块的内容。

和其他任何手术一样，在正式开始手术前，都要做一些准备工作，如体格检查、拍摄X线片、CT图像等，全膝人工膝关节置换术也不例外，而且检查的项目更多一些，对检查结果的要求也更严格一些，所以精确地术前检查是正式手术正常进行的前提条件。

接下来要做的就是选择手术的切口形式，全膝关节置换术中的手术切口主要分为皮肤切口和关节囊切口两步骤。

对切口的基本要求就是足够的长度，能使髌骨翻转，膝部关节要充分暴露出来。

皮肤切口有以下7种基本类型：（1）髌骨前正中的直切口；（2）髌骨正中旁边直切口，此切口为比较经常使用的标准切口，对内外侧关节暴露较理想；（3）内侧髌骨旁边直切口，也是较为普遍采用的标准切口之一；（4）内后侧切口；（5）外侧髌骨旁边直切口，用于髌骨外侧的半脱位或者外翻严重畸形的患者；（6）膝前弓状的横行切口；（7）内侧髌骨旁边小切口，主要用于微创手术。

关节囊切口主要有下面几种供选择：（1）髌骨正中旁边内切口；（2）髌骨正中旁边前切口；（3）内后侧切口，适用于髌骨游离活动度大，且体重较轻的患者，优点是伸肌腱功能的扰乱较少；（4）经股骨内侧肌腱劈开的切口；（5）前内侧改良型切口；（6）股四头肌腱的倒“V”型劈开切口，适用于膝部软组织严重挛缩或关节暴露较困难的患者；（7）内侧的直长切口。

手术的切口完成之后，各部分的关节都充分暴露，这时就要进行切骨的操作，精确地切骨和植入技术才能保证人工膝关节在内外翻位、远近位、内外位、前后位以及旋转位的恰当位置。

全膝置换术中一般有下面几种切骨面：胫骨近端切骨、股骨远端切骨、股骨前后面切骨、股骨腹背短斜切骨、股骨髁间切骨及髌切面。

其中股骨远端冠状面后髁切骨模式又分为典型式和解剖式两种，其中典型式切骨使用较多，轴向定位的方式也有两种类型，分别是髓内轴向定位和髓外轴向定位，切骨后要保证膝关节的屈伸间隙平衡和关节线位置的正确。

而股骨前后面切骨又有前定准技术和后定准技术两种方式，所谓前定准技术，就是股骨前方的切骨量固定，这样保证了髌—股关节以及股四头肌的正常活动机制和解剖机制；后定准技术就是股骨后髁切骨量固定为8mm。

髁间切骨是植入后叉韧带替代型人工膝关节要做的切骨方式。

胫骨近端切骨在采用髓外轴向定位方式时（常用方式），切骨模具有3°和5°两种后倾角可供选用。

在人工膝关节正式植入前必须要做一些重要的测试，因此要放置测试人工膝关节，进行测试性的复位，测试的内容主要有：下肢的轴向、屈伸间隙、软组织、关节稳定性、部件位置以及关节的活动度等，如果存在问题，应该及时纠正，以免在正式人工膝关节植入后，出现一些不良现象。

下面介绍测试出现各种问题后的处理方法。

屈伸间隙不均衡主要有以下8种表现：（1）屈膝间隙正常，伸膝间隙偏小，处理方式是松解后方软组织；（2）屈膝间隙正常，伸膝间隙偏大，处理方式有几种：1）采用人工股远端增厚片；2）选择比较厚的胫骨假体塑料盘；3）直接切除后交叉韧带，选用后叉韧带替代型人工膝关节；（3）伸膝间隙正常，屈膝间隙偏小，处理方式有：软组织松解、股骨后髁再切骨、选取较小尺寸人工膝关节、后交叉韧带松解等；（4）屈膝、伸膝间隙均偏小，处理方式为胫骨近端的再切骨，或者选取薄一点的胫骨假体塑料盘；（5）屈膝间隙偏小，伸膝间隙偏大，处理方
式为股骨后髁再切骨，选择较小尺寸股骨假体，股骨假体远端加厚，选取厚的胫骨假体塑料盘；（6）伸膝间隙正常，屈膝间隙偏大，处理方式为股骨后髁加厚，选取较大人工膝关节，或较厚的胫骨假体塑料盘；（7）伸膝间隙偏小，屈膝间隙偏大，处理方式为股骨后髁加厚，选取较大股骨假体，股骨远端再切1～2mm；（8）屈膝、伸膝间隙均偏大，处理方式为选用较厚胫骨假体塑料盘，一般情况可不作处理。

软组织挛缩是人工膝关节置换术中经常遇到的问题，也是最令外科医生感到棘手的问题之一，处理起来相对比较复杂一些，但是正确的处理方法也会使手术的效果更为理想，下面根据挛缩类型和程度的不同，介绍一些常用的处理方法，以便于为手术医生提供大致的参考，具体该如何解决，还需要在考虑手术条件和病人情况等多方面因素后再作决定。

（1）固定性的膝关节内翻畸形组织松解方案
轻度内翻（10°～15°）时首先切除半月板和半月板上的胫骨韧带，并剔除股骨与胫骨边缘的骨赘，然后做关节囊的松解，同时使胫骨外旋，伸膝位对内侧副韧带进行松解；严重内翻畸形及屈曲挛缩，则考虑松解后交叉韧带或直接切除。

（2）固定性的膝关节外翻畸形软组织松解方案
轻度外翻（＜15°），松解的方法一般有三种：剥离在胫骨上的止点；在结缔组织处剥离；在关节线附近横形切开进行松解。

严重外翻畸形的患者，必要时要松解或切除后交叉韧带来解除挛缩。

个别伴随屈曲挛缩的，要考虑作腓肠肌外侧股骨髁止点剥离及延长股二头肌。

（3）固定性的屈曲挛缩软组织松解方案
按照挛缩的程度不同，分为三类：轻度挛缩、中度挛缩、重度挛缩。

轻度挛缩就是欠伸＜10°，一般去除骨赘或稍作后关节囊松解就能纠正；中度挛缩是欠伸在10°～25°之间，解决方法为彻底剥离后关节囊止点，股骨远端切骨量增加2mm，松解后交叉韧带，必要时切除也可，选取后叉韧带替代型人工膝关节；重度挛缩是欠伸大于25°，处理方法是股骨髁后部止点处剥离腓肠肌内外侧头部，横形切开后关节囊，松解后交叉韧带。

骨缺损按照缺损的范围和程度大致可以分为四种基本类型：Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型。

一般的处理方法有：（1）胫骨切骨时连同骨缺损部分一起切掉；（2）
自身骨体植骨；（3）同种异体植骨；（4）骨胶；（5）金属增厚片、楔块；（6）各种替换型特定人工膝关节；（7）轴链型人工膝关节。

在正式植入人工膝关节前都必须要进行最后的测试性复位，观察与各切骨面的接触是否密切，屈伸过程是否稳定，活动状况是否理想等，若有问题存在，可以适当调整。

最后就是正式人工膝关节的植入环节，一般的顺序是：金属托盘、股骨假体、胫骨假体、髌骨假体，当然根据实际情况，假体的植入顺序可以灵活改变。

3单（半）部人工膝关节置换模块
手术前的X线片包括：直立前后位负重片；侧方加力片、侧位片（伸膝位与90°屈曲）；屈膝30°、60°、90°髌骨切线片。

皮肤切口一般均取髌骨正中旁边内直切口。

4人工膝关节的翻修替换模块
术前准备工作主要有：对失败的原因做详细分析；了解患者的活动要求；进行临床检查：关节活动度和软组织及伸肌器条件；拍摄X线片：全下肢负重前后位片、膝侧片、侧方加力片、髌骨切线片等，并且在X线片上用模具估选人工部件的大小、切骨位置，以及是否使用增厚片等。

手术切口一般选择原来的切口，取出原先植入部件时一般先取人工股，测试部件组装要注意：在屈膝位放置测试人工股，检查切骨是否标准。

2.2.3人工膝关节设计模块
该模块又分为三个小模块，分别为：基于患者的个性化人工膝关节设计模块，基于功能的人工膝关节设计模块，基于几何特征的人工膝关节设计模块。

基于患者的人工膝关节设计模块主要针对那些按照传统统计学数据进行标准化设计的假体，而不能满足患者一些特殊要求的情况，个性化人工膝关节设计模块可以根据每个患者的关节面特征而进行量身定做，这样大大提高好了假体植入的匹配程度和稳定性。

其基本设计流程如图：
基于功能的人工膝关节设计模块针对患者的膝关节功能要求，通过分析人体膝关节的总体功能，在假体设计过程中将总体功能分解为各个子功能，并通过功能-结构的映射关系求出各子功能相应的几何结构，这样就得到了满足人体膝关节功能要求的人工膝关节几何模型。

基本设计流程如图所示：
基于几何特征的人工膝关节设计模块又可分为两个子模块，分别是基于人体膝关节统计学数据的设计和基于曲面包络理论的设计。

论文安排：
第一章绪论：主要介绍人工膝关节置换术的发展情况，以及计算机辅助手段在置换术中的应用概况。

第二章人工膝关节的理论基础：主要内容有人体膝关节解剖学与运动学机制、人工膝关节的机械生物学（包括人工膝关节的材料、人工股/胫骨髁的几何结构、人工膝关节部件在骨内的固定方式等）
第三章人工膝关节置换计算机辅助系统需求分析
第四章系统关键技术：1.基于曲面包络理论的人工膝关节设计 2.基于APDL语言参数化有限元的实现 3.人工膝关节主要形状参数的确定以及如何完成参数化设计
第五章系统运行示例
第六章结论与展望。