膝关节运动范围大,对运动功能和力学性能均有较高要求,同时膝关节的受损机会亦较多。关节置换术以人工假体替换失去功能的受损关节,旨在恢复关节的力学性能,改善关节的整体功能。但在目前传统手术技术条件下,外科医生较少关注个体化手术数据的差异性,术前二维影像诊断存在局限性,术中凭借医生经验确定的截骨角度及截骨量存在很大的主观性,采用髓内定位具有较大的伤害性,人工假体的定位与安装存在不确定性。因此,推动数字化医疗有利于实现精准医疗与微创操作,改善手术的质量,提高手术效率。为确保膝关节置换术的成功实施,需要具体严密的术前规划、精准有效的术中定位和规范化的手术流程。本文术前对患者下肢骨骼及人工膝关节假体三维还原重建,分析个体化解剖形态并结合生物力学设计精准的手术计划,开发个体化手术数据系统,应用逆向工程为患者定制辅助手术导向器,经3D打印制造提供术中辅助导航,并形成规范的数字化膝关节外科手术流程,主要研究内容如下:首先,依据患者术前二维影像数据,还原骨骼下肢空间三维数字化模型,明确受损部位用以进行提取和特征分析,弥补传统二维图像在分析测量上存在的误差。并建立等比例人工膝关节假体三维数字化模型,形成人工膝关节假体型号及参数数字库,为数字化医疗提供了可靠的模型基础。其次,对下肢力线进行生物力学分析与拟合算法研究,通过提取表面特征点拟合求解解剖中心,重建主要力线以供形态学测量,确定准确可靠的截骨参考标志。预测并匹配最佳假体型号,使得截骨量较小,假体稳定性较高。对旋转定位进行研究,得出个体化旋转对线解决方案。完成患者下肢骨骼模型与人工膝关节假体模拟装配,依据所选择的假体厚度确定截骨量大小,根据装配拟合平面形成精准的截骨面位置,至此完成个体化手术规划。最后,提出三维数字化膝关节手术重要参数与个体化手术报告,设计并开发全膝关节置换个体化手术数据系统,以促进医工结合,指导手术实施。应用逆向工程、数字化技术及快速原型制造相融合定制个体化的手术导向器,确定截骨板的空间定位、克氏针导孔位置、最佳钉孔大小、导向槽宽度与位置。应用布尔运算理论设计截骨导向器内表面结构,使其与患者骨骼外表面配合稳定,以提供术中精准导航。综合上述研究内容得出个体化规范手术流程与数字化全膝关节置换术技术实施步骤,推动数字骨科学临床应用。案例仿真实验结果表明应用三维术前规划及导向器术中导航可行且可靠,能够有效促进关节外科手术精度及手术技术的提高。