一种膝关节置换手术用股骨远端个性化切骨导板及实现方法与流程

本发明涉及手术用切骨导板，更具体地说，涉及一种膝关节置换手术用股骨远端个性化切骨导板及实现方法。

背景技术：

随着人口老龄化及运动性损伤的增加，膝关节骨性关节炎的发病率越来越高，对于终末期的骨性关节炎，目前临床上有效的治疗方法为膝关节置换术。

由于个体的差异性，传统手术中采用的手术器械多达130多件，如髓内髓外定位的机械导向装置，切骨板导向装置等。即使这样，在手术中，外科医生还需要凭借肉眼、手感和经验进行解剖定位，通过手工划线、屈伸膝关节摆位等方式进行对线、对位，这本身带有了很大主观性，存在较大的误差，对于从事这方面手术经验较少的外科医生更难掌控，同时尽管这些机械定位导向装置不断完善，但这些仍是在标准化几何解剖形态的基础上，还是做不到“因人而异”。

在膝关节股骨远端平面和胫骨近端平面切骨后，下肢力线基本确定，而为了保证膝关节股骨假体与股骨远端牢固结合，同时保证受力均匀分布，需要对股骨前髁面切骨、股骨后髁面切骨、股骨前髁斜面切骨、股骨后髁斜面切骨、股骨髁间窝斜面切骨、股骨髁间窝切骨、股骨髁内凸切骨，从而保证切修后的股骨与股骨假体能够配合。现有的手术器械样件繁多，至少需要三件导板以及许多定位装置才可以完成，并且这些手术器械是以假想的标准化股骨为模板设计，与患者个体存在匹配性差异。标准化的手术器械应用的不同的患者上，其应用必然受到一定的限制，其定位、切骨的精度也必然受到影响。因人而异、简单、快捷的手术器械是外科医生所期望的。

得益于计算机及数字技术的快速发展，数字化三维重建在医学上应用越来越广泛，3d打印技术在个性化小批量制造上优势使其在个性化医学中有广泛的应用前景。国内多位学者已将数字化重建和3d打印技术应用于骨科领域，但是仍缺乏针对股骨远端平面切骨后多角度切骨的有效装置。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一套操作方便并且可实现准确定位的一种膝关节置换手术用股骨远端个性化切骨导板及实现方法，且在满足条件的情况下尽量的减材和减少设计难度，提高设计效率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种膝关节置换手术用股骨远端个性化切骨导板，包括用于切割前髁面和股骨远端平面的一号切骨导板和用于切割后髁面、前髁斜面、后髁斜面的二号切骨导板；

所述一号切骨导板包括股骨远端平面切骨槽，分别由股骨远端平面切骨槽左侧底部和右侧底部由柱状结构弯折后连接根据提取的患者股骨表面特征而形成的内侧骨面定位结构和外侧骨面定位结构，再由股骨远端平面切骨槽的左侧顶部和右侧顶部由光滑的弧形柱状结构分别连接股骨远端前髁面切骨槽的左侧底部和右侧底部，再分别由股骨远端前髁面切骨槽的左侧顶部和右侧顶部由光滑的弧形柱状结构分别连接根据提取的患者股骨表面特征而形成的第一底端骨面复合定位结构和第二底端骨面复合定位结构，所述左侧柱状结构和右侧柱状结构的中心线分别对齐，所述一号切骨导板的各定位结构均具有定位用的一号定位钉通孔；

所述二号切骨导板包括外侧前髁面定位结构，由外侧前髁面定位结构左右两侧垂直延伸连接前髁斜面切骨槽，再由前髁斜面切骨槽左右两侧分别用板状结构连接后髁斜面切骨槽，最后由后髁斜面切骨槽从左右两侧和中部用板状结构连接后髁面切骨槽，其中二号定位钉通孔设置在前髁斜面切骨槽和后髁斜面切骨槽的交界面上，左右各一个，所述后髁斜面切骨槽、后髁面切骨槽从中部连接切骨槽上下两个切骨板，而切骨槽两侧无连接，所述二号切骨导板的各切骨槽除上述连接结构之外其余部分均为掏空结构无额外结构；

所述一号切骨导板由定位结构与股骨远端表面贴合进行定位，二号切骨导板由使用一号切骨导板后的定位钉通孔位置和前髁面在切骨后得到的平面进行定位。

作为优选的技术方案，所述第一底端骨面复合定位结构和第二底端骨面复合定位结构为主定位结构，所述第一底端骨面复合定位结构和第二底端骨面复合定位结构形状相同，均为曲面形状，且与股骨远端表面的目标定位点相贴合。

作为优选的技术方案，所述内侧骨面定位结构、外侧骨面定位结构为次定位结构，所述内侧骨面定位结构、外侧骨面定位结构形状相同，均为曲面结构，且与股骨远端表面的目标定位点相贴合；所述内侧骨面定位结构和外侧骨面定位结构为次定位结构的表面积小于第一底端骨面复合定位结构和第二底端骨面复合定位结构的表面积。

作为优选的技术方案，所述股骨远端平面切骨槽靠近股骨的一端由弧面组成，使得该弧面可以在各个部位以相同的距离贴近骨面。

作为优选的技术方案，所述股骨远端前髁面切骨槽的高大于股骨远端平面切骨槽的高度。

作为优选的技术方案，所述前髁面切骨槽、平面切骨槽位于四块定位板之间，通过一定厚度的长方形通孔结构，按照手术所需的特定方向形成切骨导向面。

作为优选的技术方案，所述股骨远端前髁面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为90-100度，所述后髁面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为85-95度，所述前髁斜面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为135-140度，所述后髁斜面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为130-140度。

本发明还提供了一种膝关节置换手术用股骨远端个性化切骨导板的实现方法，包括下述步骤：

s1、基于患者膝关节的医学影像数据建立三维数字化的股骨模型；

s2、在股骨远端冠状面上提取特征面；

s3、在定位板外侧设计导向板；

s4、将导向板和特征面用简单的连接结构连接起来，并在各个定位板上的合适位置设置固定钉通孔，即完成一号切骨导板的设计；

s5、对股骨模型进行虚拟的前髁面切骨和平面切骨并提取被切骨后的平面；

s6、在平面外侧构建切骨槽与固定钉通孔并将其整合为一体；

s7、在前髁面上设置定位板并与s6中的部件进行连接，即完成二号切骨导板的设计；

s8、利用slm快速成型技术制作出实体的膝关节置换手术用股骨远端个性化切骨导板。

作为优选的技术方案，步骤s3和s6中，前髁面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为90-100度，所述后髁面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为85-95度，所述前髁斜面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为135-140度，所述后髁斜面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为130-140度，所述髁间窝斜面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为135-140度。

作为优选的技术方案，二号固定钉通孔位于所述后髁斜面切骨槽和前髁斜面切骨槽之间，且为下沉通孔。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供了一种定制化的全膝置换股骨远端切骨导板装置，可以快速、方便对患者股骨切骨平面定位并对整个股骨远端切骨进行导向。

2、采用本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置进行切骨，可以在术前进行手术规划，实现了真正“私人定制”手术。

3、本发明提供的一种定制化的全膝置换股骨远端切骨导板装置，在设计上足够简便，在材料上足够节省。

4、通过本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置进行切骨，在简化手术的同时，可以通过第一底端骨面复合定位结构、第二底端骨面复合定位结构、内侧骨面定位结构、外侧骨面定位结构完成全膝置换股骨远端切骨导板装置第一块切骨导板的定位，通过前髁面定位结构，股骨远端平面定位结构和固定钉通孔定位在股骨上，并通过各个切骨槽确定切骨面位置，实现了外科技术上要求的股骨切骨，同时可以定量控制切骨方向和厚度，实现了手术的可控制性及精确性。

5、本发明可以缩短外科医生的学习曲线，使年轻医生也能利用本发明提供

的股骨远端切骨导板装置快速掌握技术、实施手术。

6、本发明在切骨逻辑上进行了改变，由第一刀为股骨远端平面变为第一刀为股骨远端前髁面，之后第二刀为股骨远端平面。

7、本发明在切骨槽的设计上，在后髁面切骨槽和后髁斜面切骨槽选择将槽两边放空，而在槽中间进行连接。使得切骨刀可以在切除骨头后不用抽出而可以直接从侧面取出。

附图说明

图1为本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的一号切骨导板的主视图；

图2为图1在a-a平面处的剖视图；

图3为本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的一号切骨导板的俯视图；

图4为根据本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的一号切骨导板的使用状态的立体图；

图5为根据本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的一号切骨导板切骨后未取下的立体图；

图6为本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的二号切骨导板的主视图；

图7(a)、图7(b)为图6在a-a平面处的剖视图以及在b-b平面处的剖视图；

图8为根据本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的二号切骨导板切骨导板使用状态的立体图；

图9为根据本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的二号切骨导板切骨后未取下切骨导板时的立体图。

附图标号说明：1、第一底端骨面复合定位结构；2、一号定位钉通孔；3、第二底端骨面复合定位结构；4、内侧骨面定位结构；5、股骨远端前髁面切骨槽；6、外侧骨面定位结构；7、股骨远端平面切骨槽；8、前髁面定位结构；9、二号定位钉通孔；10、股骨远端平面定位结构；11、前髁斜面切骨槽；12、后髁斜面切骨槽；13、后髁面切骨槽。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

由于不同患者的股骨形状会有不同，而且在传统的先切股骨远端平面再以此为基准使用四合一导板进行股骨切割的方式在四合一导板的定位上会产生旋转和位置的偏差，所以本发明在这一问题上，提供一种膝关节置换手术用股骨远端个性化切骨导板。参阅图1至图3，其中图1为本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的一号切骨导板的主视图；图2为图1的a-a平面处的剖视图；图3为本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的一号切骨导板的俯视图。如图所示，本发明提供的全膝置换股骨远端切骨导板装置的第一块切骨导板，包括第一底端骨面复合定位结构1、一号定位钉孔2、第二底端骨面复合定位结构3、内侧骨面定位结构4、前髁面切骨槽5、外侧骨面定位结构6、平面切骨槽7。其中第一底端骨面复合定位结构1、第二底端骨面复合定位结构3、内侧骨面定位结构4、外侧骨面定位结构6与患者股骨远端表面贴合。切骨刀插入切骨槽中贴住切骨槽表面，对股骨远端进行切割。为了获得与股骨远端平面切骨后的形貌完全贴合的定位板，本发明可以预先根据患者数字化三维重建数据，随后选择合适的位置提取股骨远端的表面数据，通过geomagic2014软件，使用自然拟合裁剪的方式获得股骨冠状面顶部和两侧共四块定位板的参数化仿生自然曲面片，第一底端骨面复合定位结构1、第二底端骨面复合定位结构3、内侧骨面定位结构4、外侧骨面定位结构6的厚度为2mm。前髁面切骨槽5、平面切骨槽7位于四块定位板之间，这些主导向板切骨槽通过一定厚度的长方形通孔结构，按照手术所需的特定方向形成切骨导向面。也就是说，这些主导向板切骨槽与所需的股骨远端多角度切骨平面相对应，即在将第一底端骨面复合定位结构1与股骨远端平面切骨后的表面贴合后，这些主导向板切骨槽形成的导向面可以通过对切骨工具例如电动摆锯进行限位来定位切骨平面。具体地，前髁面切骨槽5、平面切骨槽7，其所形成的导向面分别用于股骨前髁面切骨和股骨平面切骨。且切骨导板的开口互相平行。

股骨远端平面切骨的切骨平面沿股骨的机械轴方向与股骨后髁最低点的距离d为10mm,该股骨后髁最低点为包括软骨在内的股骨远端后髁处的最低点，前髁面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为95度。

本发明还在切骨导板上设有四个用于全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的一号切骨导板与股骨的一号固定钉通孔2。该一号固定钉通孔2贯穿定位板，半径为1.5mm，厚度为1mm，且每一块定位板上皆有一个一号固定钉通孔2。

在本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置中，内侧的第一底端骨面复合定位结构1、第二底端骨面复合定位结构3、内侧骨面定位结构4、外侧骨面定位结构6为根据患者个体形态设计，即个性化；前髁面切骨槽5、平面切骨槽7上切骨槽的导向面的尺寸与方向必须与假体相对应，可为标准化，也可为个性化。

本发明制作的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的一号切骨导板可用于膝关节置换切骨手术中的股骨远端平面切骨与前髁面切骨。如图4-5中所示，分别为根据本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的一号切骨导板的使用状态立体图和按照切骨槽切骨后的立体图。在手术中，使用第一底端骨面复合定位结构1、第二底端骨面复合定位结构3、内侧骨面定位结构4、外侧骨面定位结构6与股骨远端冠状面的顶部和侧面表面相贴合，以保证精准定位。随后采用医用固定钉穿过一号固定钉通孔2将该导板装置固定在股骨上，使两者的相对位置不变。随后采用切割工具，沿着股骨远端前髁面切骨槽5对前髁面进行切骨，之后拆除股骨远端冠状面顶部的两个固定钉通孔中的医用固定钉，再使用切割工具沿着股骨远端平面切骨槽7对股骨远端平面进行切骨。切骨完成后将剩下两颗大头钉取出，并将切骨导板取下，即完成第一部分的切骨。

参阅图6、图7(a)、图7(b)，其中图6为本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的二号切骨导板的主视图；图7(a)、图7(b)为图6的a-a平面、b-b平面处的剖视图。如图所示，本发明包括：前髁面定位结构8、二号固定钉通孔9、远端平面定位结构10、前髁斜面切骨槽11、后髁斜面切骨槽12、后髁面切骨槽13。本发明可以预先根据患者数字化三维重建数据，进行虚拟的股骨远端平面切骨和前髁面切骨，随后提取前髁面和股骨远端平面切骨后的表面数据，并提取为基准面以此作为基准在基准面外部作图。由于此刻两个切骨面都为平面，固可以设计平面与其贴合达到定位的效果。在前髁面靠近远端平面的位置选择一块长方形的表面作为定位，对长方形加厚2mm，之后在特定的位置特定的方向制作前髁斜面切骨槽11、后髁斜面切骨槽12、后髁面切骨槽13，切骨槽周围厚度为2mm，槽宽度为2-3mm，这些主导向板切骨槽位于主导向板上的开口相互平行。之后用简单的连接结构将前髁面定位结构8、前髁斜面切骨槽11、后髁斜面切骨槽12、后髁面切骨槽13连接起来，并保证前髁斜面切骨槽11、后髁斜面切骨槽12、后髁面切骨槽13的槽口表面与远端平面贴合，以此形成股骨远端平面定位结构10。根据全膝置换股骨远端切骨导板装置的第一块切骨导板在股骨远端冠状面顶部两个定位钉通孔的位置，在全膝置换股骨远端切骨导板装置的第二块切骨导板的相应位置做出定位钉通孔，通孔直径为2.5mm，厚度为2mm。将二号定位钉通孔9设计在股骨远端平面切骨后形成的保留面上，且为下沉通孔。在医用固定钉锲入后，不影响股骨前髁斜面切骨以及股骨后髁斜面切骨。

在本发明的一些优选实施例中，后髁面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为85-95度，前髁斜面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为135-140度，后髁斜面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为130-140度。本发明的二号切骨导板，前髁面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为95度，后髁面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为90度，前髁斜面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为137度，后髁斜面切骨槽的导向面与股骨远端平面夹角为135度。

本发明制作的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的二号切骨导板可用于膝关节置换的股骨远端平面切骨和前髁面切骨后的多角度切骨手术。如图8、图9所示，分别为根据本发明的全膝置换股骨远端多功能切骨导板装置的二号切骨导板的使用状态立体图和按照切骨槽切骨后的立体图。在手术中，当股骨远端平面切骨和前髁面切骨完成，确保下肢力线后，靠股骨远端平面定位结构10将全膝置换股骨远端导板装置中的第二块切骨导板装置置于股骨远端平面，并用前髁面定位结构8抵住前髁面后将二号定位钉通孔9与之前使用全膝置换股骨远端切骨导板装置中第一块切骨导板时留在远端平面的医用固定钉孔对准，即完成精准定位，随后使用医用固定钉穿过二号定位钉通孔9，使导板固定在股骨远端平面上，使两者相对位置不变。最后，采用切割工具先通过各个主导向板切骨槽分别进行股骨后髁面切骨、股骨前髁斜面切骨、股骨后髁斜面切骨。切骨完成后，将医用固定钉取出，保持导板装置位置不变，采用钻刀沿着二号定位钉通孔9钻孔，形成股骨髁内凸下沉通孔。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。