CN104462636A - 基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，包括步骤：一、待修复股骨头的三维模型获取：获取待修复股骨头NURBS曲面模型，待修复股骨头为存在股组织坏死区域且预采用股骨头支撑器修复的股骨头；股骨头支撑器由伞状支撑器和支撑套筒组成；二、根据伞状支撑器形状，确定需分离坏死区域，建立坏死股骨头模型；三、股骨头支撑器模型建立；四、坏死股骨头植入模型建立：建立带植入通道的坏死股骨头植入模型和植入骨的三维模型；五、坏死股骨头修复模型建立。本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能简便、快速建立股骨头支撑器植入坏死股骨头的修复模型，且所建立的修复模型质量高。

Description

基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法

技术领域

本发明涉及一种建模方法，尤其是涉及一种基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法。

背景技术

股骨头缺血性坏死的治疗，在国外有很多研究。杜兰大学医学院整形外科系的Castro等人通过Meta分析对髓芯减压治疗股骨头缺血性坏死的疗效进行分析，对单一髓芯减压手术的疗效进行统计研究。分析显示，髓芯减压的成功率在统计上比保守治疗更好，但是仍不是最佳治疗方法。Meta分析是对具备特定条件的、同课题的诸多研究结果进行综合的一类统计方法，这种分析方法常用于临床数据的统计研究，但因其不能提取全部相关数据、发表偏性以及用于合并统计的临床终点定义不明确等局限性。Veillette等人指出，单独髓芯减压与缺乏不一致的结构支撑结果有关，而血管的腓骨移植需要特别的外科手术并存在高风险的并发症和长的治愈时间；并评估了通过髓芯减压多孔钽棒植入治疗股骨头坏死的结果，总体而言，康复率达90％以上。Floerkemeier等通过有限元分析结合临床结果对常规髓芯减压钽棒植入和使用小钻孔减压进行了对比分析，结果显示使用小钻孔减压比常规髓芯减压钽棒植入要更优越。Sakagoshi等对髋关节置换治疗股骨头坏死进行了有限元分析，评估了髋关节置换术的不良生物力学影响。美国专利局公布了一种可扩展的多孔网袋支撑坏死塌陷股骨头的专利，通过该装置能替换受损骨组织，使股骨头结构稳定。

然而，国内治疗股骨头缺血性坏死的方法中，包括控制体重、髓芯减压、各种截骨术、带血管吻合的骨移植和不带血管吻合的骨移植及人工关节置换手术等。陈执平等人的文章，髓芯减压术后产生的空洞对股骨头应力的影响的有限元分析，从结果来看，髓芯减压术造成的空洞形状对应力集中有很大的影响，分析结果为髓芯减压手术提供了一定的参考依据。而严世贵等人得出的全髋关节置换后聚乙烯内衬应力的弹塑性有限元分析结果表明，全髋关节假体中聚乙烯内衬在术后可能会被破坏，术后应避免或减少上楼等高负重活动。另一种治疗方案是采用骨栓强化治疗股骨头缺血性坏死，周恩昌等人对这种治疗方案进行三维有限元分析，结果表明，骨栓的植入能提高股骨坏死区的骨强度，但只有当骨栓按照压力骨小梁方向放置时，效果才能达到最佳。

治疗股骨头坏死的各种方案，不仅有临床观察数据，越来越多的研究者们开始使用有限元分析软件对手术方案的可行性进行验证。随着微创手术的流行，更多的人会选择新型的治疗方案。例如髓芯减压钽棒植入或钛合金支撑架植入等，经股骨头内减压通道将这些支撑器植入股骨头进行微创手术，但所有这些器械所支撑的面积太小，因此存在着一定的缺陷。王岩等设计的记忆金属镍-钛合金(Ni-Ti)网球由金属丝编织而成，虽然支撑面积相对较大，但支撑力却相应较小。此外该金属网球需要打开股骨头，创伤相对较大。可见，虽然股骨头缺血性坏死的治疗方案有很多，却没有一个最可靠的方案，经过有限元分析验证，暴露出很多问题。

有限元分析方法是通过临床实验获得真实数据后，利用计算机构建股骨头三维实体模型，采用有限元分析软件进行计算分析。在有限元模型的帮助下可以无创检查体内组织，辅助外科诊疗方案的制定和定量手术的模拟，较之实验模型更大限度的减少了多因素影响，使定量实验更能说明问题。国内外应用有限元分析在股骨头缺血性坏死研究上有很多成果，然而，利用Ni-Ti记忆合金植入股骨头治疗股骨头缺血性坏死的方法在国内外资料中不太常见，是比较新的方法。

综合分析显示，人体在任何状态下，采用有限元方法对Ni-Ti记忆合金支撑器植入缺血性坏死股骨头的有限元模型建立是一项极其重要而艰难的工作，为了能够更加逼真的模拟支撑器对缺血性股骨头坏死患者的修复作用能够更加直观准确，并且完成临床用实验很难完成的研究，因此建立Ni-Ti记忆合金支撑器植入缺血性坏死股骨头的有限元模型的方法很有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能简便、快速建立股骨头支撑器植入坏死股骨头的修复模型。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、待修复股骨头的三维模型获取：采用图像处理设备获取待修复股骨头的NURBS曲面模型，并对所获取NURBS曲面模型进行同步存储；

所述待修复股骨头为存在股组织坏死区域且预采用股骨头支撑器进行修复的股骨头；所述股骨头支撑器由伞状支撑器和对伞状支撑器进行支撑的支撑套筒组成，所述伞状支撑器由多根支撑伞骨组成且其下端通过伞柄与支撑套筒套接；

步骤二、坏死股骨头模型建立：先根据步骤一中所述伞状支撑器的形状，对步骤一中所获取NURBS曲面模型中的需分离坏死区域进行确定；之后，采用所述图像处理设备在步骤一中所获取NURBS曲面模型中，标注出所述需分离坏死区域，获得坏死股骨头模型；

所述需分离坏死区域的形状与伞状支撑器的上部形状相同，且其包含步骤一中所述股组织坏死区域；

步骤三、股骨头支撑器模型建立：采用图像处理设备，建立对所述待修复股骨头进行修复用的所述股骨头支撑器的三维模型；

步骤四、坏死股骨头植入模型建立：根据步骤三中所述股骨头支撑器的三维模型，对步骤二中所建立坏死股骨头模型中的植入通道进行确定，所述植入通道所处的区域为待修复区域；之后，采用所述图像处理设备从待修复股骨头的NURBS曲面模型中去除所述待修复区域，获得带植入通道的坏死股骨头植入模型，所述植入通道为植入所述股骨头支撑器与植入骨的植入区域；然后，根据所述坏死股骨头植入模型中植入通道的结构和尺寸，采用所述图像处理设备建立所述植入骨的三维模型；

所述植入通道与所述待修复股骨头底部平面之间的夹角为植入角，所述股骨头支撑器和所述植入骨的中心轴线均与所述植入通道的中心轴线一致；所述股骨头支撑器的上部外表面与所述待修复区域的上部相贴合，所述植入骨上部与所述股骨头支撑器的上部内表面相贴合，所述植入骨的下部与所述待修复区域下部相贴合；

步骤五、坏死股骨头修复模型建立，过程如下：

步骤501、材料属性信息添加：采用所述图像处理设备，对所述坏死股骨头植入模型、所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型的材料属性信息分别进行添加；

其中，对所述坏死股骨头植入模型的材料属性信息进行添加时，根据所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的灰度值，对所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的材料属性进行赋值；所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型的材料属性信息相同；

步骤502、坏死股骨头修复模型建立：将步骤501中材料属性信息添加后的所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型，均添加至步骤501中材料属性信息添加后的所述坏死股骨头植入模型中，获得所述待修复股骨头的坏死股骨头修复模型。

上述基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征是：所述植入角为20°～60°。

上述基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征是：步骤三中所建立的股骨头支撑器模型为所述股骨头支撑器的简化三维模型，所述股骨头支撑器模型的建立过程如下：

步骤301、伞状支撑器模型建立：先根据伞状支撑器中支撑伞骨的形状和尺寸，绘制出支撑伞骨的外轮廓线，并对伞状支撑器的中心轴线进行确定；之后，将所绘制支撑伞骨的外轮廓线绕所确定的中心轴线进行旋转，旋转后形成旋转体；然后，根据伞状支撑器中支撑伞骨的宽度，对所述旋转体中相邻两个所述支撑伞骨之间的区域进行切除，获得伞状支撑器的三维模型；

步骤302、支撑套筒模型建立，包括以下步骤：

步骤3021、套筒主体建模：先根据支撑套筒的直径、壁厚和高度，建立一个圆柱筒；

步骤3022、开孔：在步骤3021中所建立圆柱筒的筒壁上开设多个血运孔。

上述基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征是：步骤3021中所述圆柱筒的直径为10mm且其为侧壁开有竖向开口的筒体，所述圆柱筒的横截面为弧形且其弧长为28.26mm；多个所述血运孔包括三个由上至下布设的圆孔和两列分别位于所述竖向开口两侧的半圆形孔，每列所述半圆形孔均包括三个由上至下布设的半圆形孔，三个所述圆孔和两列所述半圆形孔的孔径均为Φ3mm；三个所述圆孔与所述竖向开口正对，三个所述圆孔的左右两侧与所述竖向开口之间均开有三个通孔，三个所述通孔由上至下布设且其包括两个高度为3mm的三角形孔和一个位于两个所述三角形孔之间且孔径为Φ3mm的圆孔。

上述基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征是：步骤四中进行坏死股骨头植入模型建立时，需建立待修复股骨头的M个坏死股骨头植入模型，M个所述坏死股骨头植入模型中植入通道的植入角均不相同，M个所述坏死股骨头植入模型的建立方法均相同；其中，M为正整数且M≥4；

对于任一个坏死股骨头植入模型进行建立时，先根据步骤三中所述股骨头支撑器的三维模型，并结合当前所建立坏死股骨头植入模型中植入通道的植入角，对植入通道的结构、尺寸和位置进行确定；之后，然后，根据所述坏死股骨头植入模型中植入通道的结构、尺寸和位置，采用所述图像处理设备建立所述植入骨的三维模型；

步骤五中进行坏死股骨头修复模型建立时，需建立待修复股骨头的M个坏死股骨头修复模型，M个所述坏死股骨头修复模型中植入通道的植入角均不相同，M个所述坏死股骨头修复模型分别与步骤四中所建立的M个所述坏死股骨头植入模型一一对应。

上述基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征是：步骤五中所建立的坏死股骨头修复模型为有限元模型，M个所述坏死股骨头修复模型建立完成后，还需对M个所述坏死股骨头修复模型的力学性能分别进行有限元分析，并根据有限元分析结果，绘制出股骨头支撑器的应力与位移变化曲线；所述股骨头支撑器的应力变化曲线为所述股骨头支撑器所受的最大应力值随植入角变化的变化曲线，所述股骨头支撑器的位移变化曲线为股骨头支撑器发生的最大位移量随植入角变化的变化曲线。

上述基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征是：步骤502中进行坏死股骨头修复模型建立时，所述图像处理设备调用Abaqus软件进行建模，过程如下：

步骤5021、模型导入：将步骤501中材料属性信息添加后的所述坏死股骨头植入模型、所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型，分别导入Abaqus软件；所述股骨头支撑器的三维模型包括伞状支撑器的三维模型和支撑套筒的三维模型；

步骤5022、添加相互作用：在所述坏死股骨头植入模型中的植入通道与所述植入骨之间、所述植入通道与所述支撑套筒的三维模型之间、所述支撑套筒的三维模型与伞状支撑器的三维模型之间以及所述股骨头支撑器的三维模型与所述坏死股骨头植入模型之间，分别添加绑定约束；

步骤5023、模型装配：步骤5023中添加相互作用完成后，获得装配后的所述坏死股骨头修复模型；

步骤5024、施加载荷：模型装配完成后，在所获得坏死股骨头修复模型顶部施加作用力；

步骤5025、添加边界条件：施加载荷后，将所述坏死股骨头修复模型的底部位置固定；

步骤5026、划分网格并建立有限元模型：对所述坏死股骨头修复模型进行网格划分，获得所述坏死股骨头修复模型的有限元模型。

上述基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征是：步骤501中对所述坏死股骨头植入模型、所述股骨头支撑器和所述植入骨的材料属性信息分别进行添加时，所述图像处理设备调用Mimics软件进行添加；

根据所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的灰度值，对所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的材料属性进行赋值时，根据公式：密度Density＝-0.0000134+0.001017×Grayvalue(1)，和公式弹性模量E-Modulus＝-0.0003888+5925×Density(2)，泊松比为0.3，对所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的材料属性进行确定；其中，Grayvalue为灰度值；

步骤502中进行坏死股骨头修复模型建立时，所述图像处理设备调用Abaqus软件进行建模，并且所建的坏死股骨头修复模型为有限元模型；步骤502中所述坏死股骨头修复模型建成后，还需调用Abaqus软件对所述坏死股骨头修复模型的力学性能进行有限元分析。

上述基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征是：步骤一中进行待修复股骨头的三维模型获取时，过程如下：

步骤101、初步建立待修复股骨头的三维模型：先采用CT扫描仪或MRI摄取待修复股骨头所处区域的骨组织三维图像，并将所摄取的骨组织三维图像传送至所述图像处理设备；之后，所述图像处理设备调用三维图像处理软件进行图像分割，获取待修复股骨头的三维模型；

步骤102、待修复股骨头三维模型修复：采用所述图像处理设备，先对步骤101中所获取待修复股骨头的三维模型外表面上的异常点进行去除，再对待修复股骨头的三维模型上的破洞进行填补，之后对待修复股骨头的三维模型上的多边形进行松弛处理，获得修复后的待修复股骨头的三维模型；

步骤103、NURBS曲面模型构建：所述图像处理设备调用三维建模软件，对步骤102中修复后的待修复股骨头的三维模型进行处理，获得待修复股骨头的NURBS曲面模型。

上述基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征是：步骤101中初步建立待修复股骨头的三维模型时，先将所述骨组织三维图像存成DICOM格式，再将所述骨组织三维图像导入MIMICS软件，之后采用MIMICS软件进行图像分割，获取待修复股骨头的三维模型，并将所获取待修复股骨头的三维模型存为.STL格式；

步骤102中进行待修复股骨头三维模型修复时，先将步骤101中所获取待修复股骨头的三维模型导入逆向工程软件Geomagic Studio12，并另存为.wrp格式；

对步骤101中所获取待修复股骨头的三维模型外表面上的异常点进行去除时，将待修复股骨头的三维模型外表面上的杂质点和噪音点去除。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、方法步骤简单、设计合理且操作简便，实现方便。

2、可操作性强且花费时间短，由于实用新型专利201020641438.5中所公开的伞状记忆合金股骨头支撑器采用镍钛记忆合金材料，具有超弹性，生物相容性好等特点。设计外形及力学强度与以往的支撑器不同，采用伞状骨架结构并一次成型技术，增加了其弹性及支撑强度，伞状柄的应用，在临床应用中减少了手术难度，利于植入及骨质充填，同时缩小了手术创口，增加力矩同时更接近并顺应机体力学原理。临床上股骨头支撑器植入坏死股骨头的过程：采用微创的方法，通过股骨头髓内减压通道将该支撑器植入坏死塌陷的股骨头内并撑开，随后将患者的髂骨+人工骨植入支撑器撑开的空腔内，从而顶起已塌陷的股骨头，起到支撑股骨头及防止其塌陷的作用。此支撑器在股骨头内不仅起到有力的支撑作用，而且能够协助重建股骨头的血运，防止股骨头的进一步塌陷，减少了患者许多痛苦，缩短了手术时间，简化了手术操作，支撑安全可靠，对治疗成人股骨缺血性坏死造成的股骨头塌陷效果显著。但是要验证股骨头支撑器的效果，用实验很难观察，本发明采用有限元建模来验证支撑器的可行性和对坏死股骨头的支撑作用，实现简便且结果可靠，仅需几十分钟，甚至十几分钟，即可完成坏死股骨头修复模型的建立。

3、所采用的股骨头支撑器建模过程简单，通过对股骨头支撑器模型进行简化，大幅度减小了股骨头支撑器的建模过程，并且所建支撑器模型能对手术实际采用的股骨头支撑器进行真实模拟。

4、待修复股骨头NURBS曲面模型的获取方法简单、设计合理且所获取NURBS曲面模型质量高。

5、本发明能简便、快速建立不同植入角的股骨头修复模型，并完成力学性能分析，从而能简便获知不同植入角对手术效果的实际影响，并据此确定合适的植入角度，为手术治疗提供一定的参考依据。

6、使用效果好且实用价值高。

综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能简便、快速建立股骨头支撑器植入坏死股骨头的修复模型，且所建立的修复模型质量高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为本发明建模时所采用股骨头支撑器的实物结构示意图。

图2-1为本发明伞状支撑器模型建立时所绘制支撑伞骨的外轮廓线示意图。

图2-2为本发明伞状支撑器模型建立时旋转体的切除状态示意图。

图2-3为本发明所建立伞状支撑器模型的结构示意图。

图2-4为本发明所建立支撑套筒模型的结构示意图。

图3-1为本发明对股骨头扫描数据文件进行合并前的MIMICS界面。

图3-2为本发明对股骨头扫描数据文件进行合并后的MIMICS界面。

图3-3为本发明设置好扫描图像三维视图方向后的MIMICS界面。

图3-4为本发明设置好扫描图像三维视图方向后的MIMICS界面。

图3-5为本发明完成图像分割并获得待修复股骨头三维模型的MIMICS界面。

图4-1为本发明对股骨头三维模型进行创建流形操作后的三维模型示意图。

图4-2为本发明对股骨头三维模型进行删除钉状物操作后的三维模型示意图。

图4-3为本发明股骨头三维模型中“隧道”孔的结构示意图。

图4-4为对本发明股骨头三维模型中的“隧道”孔进行清理后的结构示意图。

图4-5为对本发明股骨头三维模型中的“隧道”孔进行填充后的结构示意图。

图4-6为本发明股骨头三维模型中深洞的结构示意图。

图4-7为对本发明股骨头三维模型中深洞进行清理后的结构示意图。

图4-8为本发明股骨头三维模型中孔洞清理过程中内部部分被删除的孔结构示意图。

图4-9为本发明股骨头三维模型中股骨头后端截面上的孔结构示意图。

图4-10为本发明对股骨头三维模型进行减少噪音操作时的偏差示意图。

图4-11为本发明对股骨头三维模型进行松弛多边形操作时的偏差示意图。

图4-12为本发明对股骨头三维模型中进行探测轮廓线处理的示意图。

图4-13为本发明对探测轮廓线进行调整后的示意图。

图4-14为本发明对股骨头三维模型进行编辑轮廓线处理后的示意图。

图4-15为本发明对股骨头三维模型进行松弛轮廓线处理后的示意图。

图4-16为本发明对股骨头三维模型进行构造曲面片处理时的示意图。

图4-17为本发明对股骨头三维模型进行编辑曲面片处理后的示意图。

图4-18为本发明对股骨头三维模型进行构造栅格处理后的示意图。

图4-19为本发明拟合出的股骨头NURBS曲面模型的示意图。

图5-1为本发明所建立坏死股骨头模型中需分离坏死区域的结构示意图。

图5-2为本发明所建立坏死股骨头模型的结构示意图。

图6-1为采用股骨头支撑器对股骨头进行支撑的支撑状态示意图。

图6-2为采用股骨头支撑器支撑后填充骨粉时的填充示意图。

图7-1为本发明所建立植入角为28°的坏死股骨头植入模型示意图。

图7-2为本发明所建立植入角为34°的坏死股骨头植入模型示意图。

图7-3为本发明所建立植入角为40°的坏死股骨头植入模型示意图。

图7-4为本发明所建立植入角为45°的坏死股骨头植入模型示意图。

图7-5为本发明所建立植入角为49.5°的植入骨模型示意图。

图7-6为本发明所建立植入角为53°的植入骨模型示意图。

图8-1为本发明所建立植入角为28°的植入骨模型示意图。

图8-2为本发明所建立植入角为34°的植入骨模型示意图。

图8-3为本发明所建立植入角为40°的植入骨模型示意图。

图8-4为本发明所建立植入角为45°的植入骨模型示意图。

图8-5为本发明所建立植入角为49.5°的植入骨模型示意图。

图8-6为本发明所建立植入角为53°的植入骨模型示意图。

图9为本发明设置材料属性时的界面示意图。

图10-1为本发明所建立植入角为28°的坏死股骨头修复模型示意图。

图10-2为本发明所建立植入角为34°的坏死股骨头修复模型示意图。

图10-3为本发明所建立植入角为40°的坏死股骨头修复模型示意图。

图10-4为本发明所建立植入角为45°的坏死股骨头修复模型示意图。

图10-5为本发明所建立植入角为49.5°的坏死股骨头修复模型示意图。

图10-6为本发明所建立植入角为53°的坏死股骨头修复模型示意图。

图11-1为本发明植入角为28°的坏死股骨头修复模型中待修复股骨头的位移分布云图。

图11-2为本发明植入角为34°的坏死股骨头修复模型中待修复股骨头的位移分布云图。

图11-3为本发明植入角为40°的坏死股骨头修复模型中待修复股骨头的位移分布云图。

图11-4为本发明植入角为45°的坏死股骨头修复模型中待修复股骨头的位移分布云图。

图11-5为本发明植入角为49.5°的坏死股骨头修复模型中待修复股骨头的位移分布云图。

图11-6为本发明植入角为53°的坏死股骨头修复模型中待修复股骨头的位移分布云图。

图12-1为本发明植入角为28°的坏死股骨头修复模型中股骨头支撑器的位移分布云图。

图12-2为本发明植入角为34°的坏死股骨头修复模型中股骨头支撑器的位移分布云图。

图12-3为本发明植入角为40°的坏死股骨头修复模型中股骨头支撑器的位移分布云图。

图12-4为本发明植入角为45°的坏死股骨头修复模型中股骨头支撑器的位移分布云图。

图12-5为本发明植入角为49.5°的坏死股骨头修复模型中股骨头支撑器的位移分布云图。

图12-6为本发明植入角为53°的坏死股骨头修复模型中股骨头支撑器的位移分布云图。

图13为本发明坏死股骨头修复模型中股骨头支撑器的最大Mises应力值变化曲线图。

图14为本发明坏死股骨头修复模型中股骨头支撑器的最大位移值变化曲线图。

图15为本发明植入角为45°的坏死股骨头修复模型中人体处于步行状态时待修复股骨头顶部受到压力的变化曲线图。

附图标记说明:

1—伞状支撑器；    2—支撑套筒；    3—支撑伞骨；

4—伞柄。

具体实施方式

如图1所示的一种基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，包括以下步骤：

步骤一、待修复股骨头的三维模型获取：采用图像处理设备获取待修复股骨头的NURBS曲面模型，并对所获取NURBS曲面模型进行同步存储。

所述待修复股骨头为存在股组织坏死区域且预采用股骨头支撑器进行修复的股骨头。所述股骨头支撑器由伞状支撑器1和对伞状支撑器1进行支撑的支撑套筒2组成，所述伞状支撑器1由多根支撑伞骨3组成且其下端通过伞柄4与支撑套筒2套接，详见图2。

步骤二、坏死股骨头模型建立：先根据步骤一中所述伞状支撑器1的形状，对步骤一中所获取NURBS曲面模型中的需分离坏死区域进行确定；之后，采用所述图像处理设备在步骤一中所获取NURBS曲面模型中，标注出所述需分离坏死区域，获得坏死股骨头模型。

所述需分离坏死区域的形状与伞状支撑器1的上部形状相同，且其包含步骤一中所述股组织坏死区域。

步骤三、股骨头支撑器模型建立：采用图像处理设备，建立对所述待修复股骨头进行修复用的所述股骨头支撑器的三维模型。

步骤四、坏死股骨头植入模型建立：根据步骤三中所述股骨头支撑器的三维模型，对步骤二中所建立坏死股骨头模型中的植入通道进行确定，所述植入通道所处的区域为待修复区域；之后，采用所述图像处理设备从待修复股骨头的NURBS曲面模型中去除所述待修复区域，获得带植入通道的坏死股骨头植入模型，所述植入通道为植入所述股骨头支撑器与植入骨的植入区域；然后，根据所述坏死股骨头植入模型中植入通道的结构和尺寸，采用所述图像处理设备建立所述植入骨的三维模型。

所述植入通道与所述待修复股骨头底部平面之间的夹角为植入角，所述股骨头支撑器和所述植入骨的中心轴线均与所述植入通道的中心轴线一致。所述股骨头支撑器的上部外表面与所述待修复区域的上部相贴合，所述植入骨上部与所述股骨头支撑器的上部内表面相贴合，所述植入骨的下部与所述待修复区域下部相贴合。

步骤五、坏死股骨头修复模型建立，过程如下：

步骤501、材料属性信息添加：采用所述图像处理设备，对所述坏死股骨头植入模型、所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型的材料属性信息分别进行添加。

其中，对所述坏死股骨头植入模型的材料属性信息进行添加时，根据所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的灰度值，对所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的材料属性进行赋值；所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型的材料属性信息相同。

步骤502、坏死股骨头修复模型建立：将步骤501中材料属性信息添加后的所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型，均添加至步骤501中材料属性信息添加后的所述坏死股骨头植入模型中，获得所述待修复股骨头的坏死股骨头修复模型。

本实施例中，所述植入角为20°～60°。

实际进行建模时，可根据具体需要，对植入角的大小进行相应调整。

本实施例中，步骤三中所建立的股骨头支撑器模型为所述股骨头支撑器的简化三维模型，所述股骨头支撑器模型的建立过程如下：

步骤301、伞状支撑器模型建立：先根据伞状支撑器1中支撑伞骨3的形状和尺寸，绘制出支撑伞骨3的外轮廓线，并对伞状支撑器1的中心轴线进行确定；之后，将所绘制支撑伞骨3的外轮廓线绕所确定的中心轴线进行旋转，旋转后形成旋转体；然后，根据伞状支撑器1中支撑伞骨3的宽度，对所述旋转体中相邻两个所述支撑伞骨3之间的区域进行切除，获得伞状支撑器1的三维模型。

步骤302、支撑套筒模型建立，包括以下步骤：

步骤3021、套筒主体建模：先根据支撑套筒2的直径、壁厚和高度，建立一个圆柱筒；

步骤3022、开孔：在步骤3021中所建立圆柱筒的筒壁上开设多个血运孔。

本发明中所采用股骨头支撑器的实物结构详见图2，所述股骨头支撑器详见2011年08月03日公开的专利号为201020641438.5的实用新型专利文件中所公开的伞状记忆合金股骨头支撑器。建模时，为了方便有限元数值分析，对图2所示的股骨头支撑器进行简化。

本实施例中，步骤301中进行伞状支撑器模型建立时，采用Pro/E软件进行钣金件设计，绘制出支撑伞骨3的外轮廓线，详见图2-1；将所绘制支撑伞骨3的外轮廓线绕所确定中心轴线旋转并形成旋转体后，根据支撑伞骨3的宽度，对所述旋转体中相邻两个所述支撑伞骨3之间的区域进行切除，切除状态详见图2-2；且切除完成后，获得伞状支撑器1的三维模型，详见图2-3。

本实施例中，步骤3021中所述圆柱筒的直径为10mm且其为侧壁开有竖向开口的筒体，所述圆柱筒的横截面为弧形且其弧长为28.26mm，所述圆柱筒的壁厚为0.5mm；多个所述血运孔包括三个由上至下布设的圆孔和两列分别位于所述竖向开口两侧的半圆形孔，每列所述半圆形孔均包括三个由上至下布设的半圆形孔，三个所述圆孔和两列所述半圆形孔的孔径均为Φ3mm；三个所述圆孔与所述竖向开口正对，三个所述圆孔的左右两侧与所述竖向开口之间均开有三个通孔，三个所述通孔由上至下布设且其包括两个高度为3mm的三角形孔和一个位于两个所述三角形孔之间且孔径为Φ3mm的圆孔。步骤302中所建立的支撑套筒模型，详见图2-4。

本实施例中，步骤四中进行坏死股骨头植入模型建立时，需建立待修复股骨头的M个坏死股骨头植入模型，M个所述坏死股骨头植入模型中植入通道的植入角均不相同，M个所述坏死股骨头植入模型的建立方法均相同；其中，M为正整数且M≥4。

对于任一个坏死股骨头植入模型进行建立时，先根据步骤三中所述股骨头支撑器的三维模型，并结合当前所建立坏死股骨头植入模型中植入通道的植入角，对植入通道的结构、尺寸和位置进行确定；之后，然后，根据所述坏死股骨头植入模型中植入通道的结构、尺寸和位置，采用所述图像处理设备建立所述植入骨的三维模型。

步骤五中进行坏死股骨头修复模型建立时，需建立待修复股骨头的M个坏死股骨头修复模型，M个所述坏死股骨头修复模型中植入通道的植入角均不相同，M个所述坏死股骨头修复模型分别与步骤四中所建立的M个所述坏死股骨头植入模型一一对应。

本实施例中，步骤五中所建立的坏死股骨头修复模型为有限元模型，M个所述坏死股骨头修复模型建立完成后，还需对M个所述坏死股骨头修复模型的力学性能分别进行有限元分析，并根据有限元分析结果，绘制出股骨头支撑器的应力与位移变化曲线；所述股骨头支撑器的应力变化曲线为所述股骨头支撑器所受的最大应力值随植入角变化的变化曲线，所述股骨头支撑器的位移变化曲线为股骨头支撑器发生的最大位移量随植入角变化的变化曲线。

同时，还需根据有限元分析结果，绘制出待修复股骨头的应力与位移变化曲线；所述待修复股骨头的应力变化曲线为待修复股骨头所受的最大应力值随植入角变化的变化曲线，所述待修复股骨头的位移变化曲线为待修复股骨头发生的最大位移量随植入角变化的变化曲线。

这样，通过对M个所述坏死股骨头修复模型的力学性能分别进行有限元分析，并对M个所述坏死股骨头修复模型中待修复股骨头和股骨头支撑器的应力与位移变化曲线进行对比，便能为临床试验提供一定的参考。

本实施例中，步骤一中进行待修复股骨头的三维模型获取时，过程如下：

步骤101、初步建立待修复股骨头的三维模型：先采用CT扫描仪或MRI摄取待修复股骨头所处区域的骨组织三维图像，并将所摄取的骨组织三维图像传送至所述图像处理设备；之后，所述图像处理设备调用三维图像处理软件进行图像分割，获取待修复股骨头的三维模型；

步骤102、待修复股骨头三维模型修复：采用所述图像处理设备，先对步骤101中所获取待修复股骨头的三维模型外表面上的异常点进行去除，再对待修复股骨头的三维模型上的破洞进行填补，之后对待修复股骨头的三维模型上的多边形进行松弛处理，获得修复后的待修复股骨头的三维模型；

步骤103、NURBS曲面模型构建：所述图像处理设备调用三维建模软件，对步骤102中修复后的待修复股骨头的三维模型进行处理，获得待修复股骨头的NURBS曲面模型。

本实施例中，步骤101中初步建立待修复股骨头的三维模型时，先将所述骨组织三维图像存成DICOM格式，再将所述骨组织三维图像导入MIMICS软件，之后采用MIMICS软件进行图像分割，获取待修复股骨头的三维模型，并将所获取待修复股骨头的三维模型存为.STL格式。

其中，MIMICS软件是一套高度整合且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据(包括CT、MRI等)，并能建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)、RP(快速成型)等格式，能在PC机上进行大规模数据的转换处理。

本实施例中，步骤101中采用16层螺旋CT扫描仪对被测试者的大腿上部和整个髋关节进行薄层扫描，扫描间距为间距0.6mm，共获得512层断层扫描图像(即待修复股骨头所处区域的骨组织三维图像)，并将扫描图像数据以DICOM格式存入光盘。之后，将扫描图像数据导入MIMICS软件，单击菜单栏中的【File】，在下拉菜单中选择【Import Images...】，并找到股骨头扫描数据文件，若导入后多层扫描图像都是同一个中心，则直接转化【Convert】；若不在同一个中心，要得到完整的股骨头模型，首先要对512个图层进行合并，将它们合并成一个整体。实际进行合并时，按住【Shift】键选择所有断层扫描数据，单击按钮(Merge series)，将所选择的所有文件合并为一个文件，文件合并前后的界面详见图3-1和图3-2；然后，进入MIMICS工作界面。

将512个图层合并完成后，还需设置三维视图的方向，并进行进行图像分割。实际操作时，进入MIMICS工作界面后，首先设置图像的三维视图方向，详见图3-3；从图3-3中可看出，股骨头端髋关节部位，由于股骨头与髋臼紧密接触，并且二者的灰度值非常接近，难以通过调节灰度值的方法将它们分开，此时就需要选择手动的方式来分割：首先，打开蒙版，调节适当的灰度值将股骨部分和周围软组织分开，当灰度值最小值为134且最大值为1588时，计算出的三维模型较为理想，可较好地分割骨骼与软组织，如图3-4，此时需要手动分割股骨头与髋臼。仔细观察每个视图后发现，在前视图(即图3-4中的左上角显示窗口)中容易区分股骨头髋臼，并且股骨所占面积较大，因而采取在前视图中的擦除办法在髋臼部分分割出股骨头。在蒙版开启状态下，按下【Ctrl】+【E】，光标变成橡皮擦样式，仔细将不属于股骨头的部分擦去，然后滚动鼠标滚轮一下，切换到下一个图层，同样擦去不属于股骨头的部分，这样依次擦除每一个图层里的多余部分，最终只剩余股骨头部分，详见图3-5。这样，便获得待修复股骨头的三维模型，在工具栏中点击【Calculate 3D】，股骨头的三维模型建好，存成.STL格式。

步骤102中进行待修复股骨头三维模型修复时，先将步骤101中所获取待修复股骨头的三维模型导入逆向工程软件Geomagic Studio12，并另存为.wrp格式。并且，对步骤101中所获取待修复股骨头的三维模型外表面上的异常点进行去除时，将待修复股骨头的三维模型外表面上的杂质点和噪音点去除。

实际操作过程中，由于导入逆向工程软件Geomagic Studio12中股骨头三维模型的外形极不规整，存在大量不规律的杂质点和噪音点，因而需先将杂质点和噪音点去除。对所获取待修复股骨头的三维模型外表面上的异常点进行去除时，首先要创建流形，删除非流形的三角形，操作过程如下：单击工具栏中的【流形】按钮，消除三维模型中的非流形三角形，详见图4-1，操作过后可明显观察到，三维模型周围残留下的孤立点消失了，但三维模型内部还存在大量的杂质点。

上述创建流形的操作完成后可看出，三维模型表面依然十分粗糙，存在大量凸起尖端，此时采取删除钉状物的方法让三维模型变得比较光顺，具体操作过程如下：单击工具栏中【删除钉状物】按钮，在管理器面板中弹出“删除钉状物”对话框，将参数中的平滑级别设置到最大值，点击【应用】按钮，这时三维模型表面上的突起基本都消失了，三维模型变得平滑了许多，详见图4-2，之后单击【确定】按钮退出对话框。

删除钉状物操作完成后，按鼠标右键转动三维模型进行观察，发现三维模型表面虽然光顺了，但是还存在很多凹坑和破洞，因而需要对凹坑和破洞进行填补。仔细观察上述凹坑和破洞发现，并不都是完全贯穿曲面的破洞，而是表面凹陷，因而不能用“填充孔”的命令来填补，需要先行处理后才能进行填补。

其中，对如图4-3所示的从表面的一边贯穿到另外一边的“隧道”孔，该孔的中间还有几个通孔，情况十分复杂，只有将其完全删除后再填补。具体操作过程如下：选择画笔工具，将整个孔区域都选中，单击删除，这时孔内部的部分显露了出来，继续选中里面的部分，然后删除；如此反复选择删除，中间配合“创建流形”命令来快速删除非流形的三角形；选择过程中需要注意的是，当三维模型表面破开以后再选这片区域的时候，三维模型后面的部分也很容易被选中，所以每次点击删除之前，应该先旋转三维模型观察，将三维模型后面被选中的部分取消(按住Ctrl选择区域)再删除，清理完成后详见图4-4。清理完成后，便可进行填充孔，具体操作过程如下：单击【填充单个孔】按钮，将光标移到孔边界上，当边界线变红后鼠标左键单击一下，系统就会根据孔周围的形状自动识别这片区域的形状，填充好后，点击第二个孔继续进行填充，填充完成后详见图4-5。之后，再次单击【填充单个孔】按钮，退出填充孔状态。

对如图4-6所示的深洞而言，由于两个洞特别深，洞的深处位于三维模型内部，不容易选中，故难以删除。此处，采用反转选区的方法选择洞内部部分，具体操作过程如下：首先，换用套索工具，旋转三维模型，将整个三维模型的外边面都选中，点击鼠标右键，选择“反转选区”单击【删除】按钮，此时看见在三维模型内部的部分被删除了，只有靠近表面的地方还存在问题，详见图4-7；这样，便完成深洞的清理，之后按照上述填充孔方法进行填充。在前一步反选删除的过程中，如图4-8所示的孔内部部分也被删除，此时只需要对孔周围进行清理，删除不规则的部分，就可按照上述填充孔方法进行孔填充。

结合图4-9，由于股骨头是空心结构，在后端截面上有一个孔，且在该孔内部，各曲面交叉排列，极不规整，十分混乱。此时，将股骨头后端截面上的孔删除，并忽略其内部结构，具体操作过程如下：选择画笔工具，选中孔内底部区域，删除，如此多次选择删除，直到清理干净混乱部分，然后执行填充孔命令，将其填实。

上述凹坑和破洞填补完成后，由于扫描仪误差等原因造成所生成三维模型存在缺陷，部分区域出现不规律的点，造成三维模型表面不光顺。此时，通过“减少噪音”命令将点移至统计的正确位置以减少噪音。具体操作过程是：单击【减少噪音】按钮，在管理器面板中弹出“减少噪音”对话框，选中“自由曲面形状”，调节“平滑度水平”值和迭代次数，观察曲面变化：当“平滑度水平”值为2，迭代为3时，曲面已经较为平滑并且失真较少，这时打开“显示偏差”，观察偏差色谱，总览曲面的偏差情况，详见图4-10，此时可看出三维模型并没有太大的变形，噪音已经消除。

经过减少噪音处理后的曲面已经变得比较光顺，但还存在一些不平整的地方。之后，通过“松弛多边形”命令最大限度地减少单独多边形之间的角度使多边形网格更加平滑。具体操作过程是：单击【松弛】按钮，在管理器面板中弹出“松弛多边形”对话框，勾选“固定边界”，调节“平滑级别”、“强度”和“曲率优先”三个参数，观察曲面的变化情况，当“平滑级别”为2、“强度”为3且“曲率优先”为1的时候，曲面上的细小的棱边基本消除，不平整的地方也得到了平整，情况较为理想。打开“偏差”一栏，此时曲面以色谱的形式显示偏差，如图4-11，观察曲面颜色分布，可看出曲面主要是接近绿色的颜色，并没有太大的变形。

步骤103中进行NURBS曲面模型构建时，主要流程如下：①轮廓线处理：主要包括探测轮廓线、编辑轮廓线、探测曲率、移动曲率线、细分/延伸轮廓线、编辑/延伸、升级/约束、松弛轮廓线、自动拟合曲面等；②曲面片处理：主要包括构造曲面片、松弛曲面片、编辑曲面片、移动曲面片、移动面板、压缩曲面片层、修理曲面片、绘制曲面片布局图等；③格栅处理：主要包括构造格栅、指定尖角轮廓线等；④完成NURBS曲面的处理：主要包括拟合曲面、合并曲面、删除曲面、3D比较等处理；⑤得到理想的NURBS曲面，以IGES格式文件输出到其他系统。选择【精确曲面】进入形状阶段。

其中，探测轮廓线时，具体操作过程如下：单击【探测轮廓线】按钮，在管理器面板中弹出探测轮廓线对话框；按照默认值单击【计算】按钮，计算完成后并没有出现应有曲率轮廓线，曲率敏感度值增加10，其余不变，再次计算，出现如图4-12所示的曲率轮廓线；之后，观察轮廓线，系统计算出的曲率轮廓线并不规整，所划分的区域不完全符合要求，部分区域需要手动修改，画出新的轮廓线。经过反复试验，得到如图4-13所示的轮廓线。

由于抽取出来的轮廓线并不规整，随意弯曲甚至偏移出了正确区域，需要人为的调整轮廓线，将其拖动到正确位置，校正弯曲的轮廓线。具体操作过程如下：单击【编辑轮廓线】按钮，在管理器面板中弹出“编辑轮廓线”对话框，仔细调整轮廓线的，将其拖动到正确合理的位置，将不合理弯曲的轮廓线校正，详见图4-14。

经过编辑轮廓线处理的轮廓线，只能保证其基本的位置没有较大的偏移，毕竟人为的操作不可能十分精确。观察轮廓线可看出，轮廓线存在明显的曲折不光顺，很难通过编辑的方式将其校正，而且费时、效率低。此时，通过松弛轮廓线，沿着其长度来光顺轮廓线，具体操作过程如下：单击工具栏中的【松弛轮廓线】选择【松弛所有轮廓线】命令，轮廓线朝着平直的方向改变了一点，这一点比起要求的还远远不够，如此反复操作8次左右之后，此时轮廓线已经变得平直光顺，详见图4-15。

当轮廓线处理完成之后，便可进行构造曲面片，通过轮廓线和边界线生成面片结构。具体操作过程如下：点击【构造曲面片】按钮，在管理器面板中弹出“构造曲面片”对话框，“曲面片计数”选择“自动估计”，勾选“检查路径相交”，单击【应用】按钮，通过计算，曲面被分成若干曲面片，如图4-16。

为了得到理想的曲面片结构，需要对曲面片进行编辑、修理和松弛等。对曲面片进行修理，不仅可以让曲面片排列更加规整，还可以修复相交区域，避免后续操作出现错误。首先，进行松弛曲面片处理，让所有曲面片总体变得较为规整，具体操作过程如下：点击【松弛】，在下拉菜单中首先选【松弛曲面片(曲线式)】，这时曲面片已经变得平滑均匀了一些，如此再进行几次松弛，各曲面片整体已经变得平滑，只有少量处于边角位置的曲面片由于受到轮廓线节点位置的影响，其形状和位置都不规整甚至容易产生相交区域。此时，通过“修理曲面片”命令调节节点位置，完善曲面片布局，具体操作过程如下：点击【修理曲面片】命令，在管理器面板中弹出“修理曲面片”对话框，“修理方法”选择“编辑曲面片”“操作”选择“移动顶点”“影响”选择“局部”，然后在曲面上拖动曲面片节点，让不规整的曲面片尽可能的规整起来。最终结果，如图4-17所示。

构造栅格是为了修复相交区域，从而达到检查几何图形的目的。系统会在设定分辨率的基础上，在曲面片内创建一个有序的u-v网格。具体操作过程是：选择【构建栅格】，分辨率设置为默认值，勾选“修复相交区域”和“检查几何图形”，单击【应用】按钮，在曲面外层生成蓝色的网络状网格，如图4-18所示。

在曲面片格栅的基础上，拟合一个NURBS曲面。具体操作过程如下：单击【拟合曲面】命令，在管理器面板中弹出“拟合曲面”对话框，“拟合方法”选择“适应性”，其他设为默认值。单击【应用】按钮，系统经过计算拟合出如图4-19所示的NURBS曲面，并将其NURBS曲面保存成IGES格式。

股骨头内股骨组织囊变是造成缺血性坏死股骨头塌陷的成因，本实施例中，以股骨头内部区域骨组织囊变建立股骨头缺血性坏死模型。

本实施例中，步骤二中对图4-19所示的NURBS曲面模型中的需分离坏死区域进行确定，且所确定需分离坏死区域的结构详见图5-1；并且，所建立的NURBS曲面模型详见图5-2。

由于股骨颈载荷外上方为拉应力，内下方为压应力。为适应这两种不同形式的载荷，骨小梁形成两种不同形式的排列，即内下方的压力骨小梁系统和外上方的张力骨小梁系统。两种骨小梁在交叉的中心区形成一个三角形脆弱区域，称为Ward三角。股骨干上端内后侧很多致密的骨小梁结合成相当致密的一块骨板，为股骨距(femoralcalcar)，此结构可加强干颈间的连接与支持。股骨颈上侧的皮质骨为薄壳，越近股骨颈下侧越厚；大粗隆下方股骨干外侧皮质薄，向下逐渐增厚。

由于以上结构特点，股骨颈骨折内固定物的放置部位与其固定强度有密切关系。关于钻孔部位，由于大粗隆下方股骨干外侧皮质薄，应由大粗隆下方进入并避开此薄弱区紧贴股骨处钉入为好。研究发现，内固定物在贴近后侧有皮质骨支持处置入比钻入仅有松质骨的中心位置明显提高了固定的稳定性。

为了不影响股骨正常功能，所述股骨头支撑器植入通道的建立有其常用植入角度范围，没有确定不变的角度。考虑到股骨头的结构形状与钻孔方便性，植骨通道通常选择在大粗隆下方股骨干外侧，如图6-1和图6-2所示，此处皮质薄比较容易钻孔，此处的植入角约为45°～49°。本实施例中，选取M个植入角进行有限元建模并分析，对比不同植入角对股骨头力学性能的影响，探究合适的植入角度。

本实施例中，步骤四中进行坏死股骨头植入模型建立时，建立待修复股骨头的6个坏死股骨头植入模型，即M＝4，6个所述坏死股骨头植入模型中植入通道的植入角分别为28°、34°、40°、45°、49.5°和53°。其中，在Pro/E软件中建立植入角为28°、34°、40°、45°、49.5°和53°的坏死股骨头植入模型，分别见图7-1、图7-2、图7-3、图7-4、图7-5和图7-6。

为了有限元分析结果更接近实际情况，还需要建立植入骨的三维模型，所建立的植入角为28°、34°、40°、45°、49.5°和53°的植入骨三维模型，分别见图8-1、图8-2、图8-3、图8-4、图8-5和图8-6。

本实施例中，步骤501中对所述坏死股骨头植入模型、所述股骨头支撑器和所述植入骨的材料属性信息分别进行添加时，所述图像处理设备调用Mimics软件进行添加。

根据所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的灰度值，对所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的材料属性进行赋值时，根据公式：密度Density＝-0.0000134+0.001017×Grayvalue(1)，和公式弹性模量E-Modulus＝-0.0003888+5925×Density(2)，泊松比为0.3，对所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的材料属性进行确定。其中，Grayvalue为灰度值。

本实施例中，对所述坏死股骨头植入模型、所述股骨头支撑器和所述植入骨的材料属性信息分别进行添加时，采用Mimics软件设置10种材料属性，且所设置材料属性界面详见图9。根据所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的灰度值，对所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的材料属性进行赋值时，具体操作过程如下：打开Mimics软件股骨建模文件，再将将坏死股骨头Abaqus分析的输入文件(.inp)导入Mimics软件中，之后设置Material并按照公式(1)和(2)进行赋值，Mimics软件完成赋材料属性后，将将数据导出为新的Abaqus输入文件(.inp)，再由Abaqus软件打开，便完成材料属性信息的赋值过程。

手术中植入骨粉常用人工硫酸钙骨粉与自体骨混合后植入。硫酸钙人工骨是一种新型生物材料，具有良好的生物相容性和生物安全性，植入人体后可完全被生物降解，其吸收和新骨替代相适应。设置植入骨为弹性模量12Gpa且泊松比0.3的材料。Ni-Ti形状记忆合金制成的所述股骨头支撑体的材料属性同植入骨。

本实施例中，步骤502中进行坏死股骨头修复模型建立时，所述图像处理设备调用Abaqus软件进行建模，过程如下：

步骤5021、模型导入：将步骤501中材料属性信息添加后的所述坏死股骨头植入模型、所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型，分别导入Abaqus软件；所述股骨头支撑器的三维模型包括伞状支撑器1的三维模型和支撑套筒2的三维模型。

步骤5022、添加相互作用：在所述坏死股骨头植入模型中的植入通道与所述植入骨之间、所述植入通道与所述支撑套筒2的三维模型之间、所述支撑套筒2的三维模型与伞状支撑器1的三维模型之间以及所述股骨头支撑器的三维模型与所述坏死股骨头植入模型之间，分别添加绑定约束。

步骤5023、模型装配：步骤5023中添加相互作用完成后，获得装配后的所述坏死股骨头修复模型。

步骤5024、施加载荷：模型装配完成后，在所获得坏死股骨头修复模型顶部施加作用力。

步骤5025、添加边界条件：施加载荷后，将所述坏死股骨头修复模型的底部位置固定。

步骤5026、划分网格并建立有限元模型：对所述坏死股骨头修复模型进行网格划分，获得所述坏死股骨头修复模型的有限元模型。

本实施例中，步骤5026中划分网格时，对所述坏死股骨头修复模型中的所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型均以近似全局尺寸划分网格。

本实施例中，步骤5024中施加载荷时，股骨头顶部区域施加1000N作用力，等效压力为4Mpa。

植入角为28°、34°、40°、45°、49.5°和53°的坏死股骨头修复模型，分别见图10-1、图10-2、图10-3、图10-4、图10-5和图10-6。

本实施例中，步骤502中进行坏死股骨头修复模型建立时，所述图像处理设备调用Abaqus软件进行建模，并且所建的坏死股骨头修复模型为有限元模型；步骤502中所述坏死股骨头修复模型建成后，还需调用Abaqus软件对所述坏死股骨头修复模型的力学性能进行有限元分析。

对所述坏死股骨头修复模型的力学性能进行有限元分析后得出，植入角为28°、34°、40°、45°、49.5°和53°的坏死股骨头修复模型中待修复股骨头的位移分布云图，分别见图11-1、图11-2、图11-3、图11-4、图11-5和图11-6；植入角为28°、34°、40°、45°、49.5°和53°的坏死股骨头修复模型中股骨头支撑器的位移分布云图，分别见图12-1、图12-2、图12-3、图12-4、图12-5和图12-6。

其中，植入角为28°、34°、40°、45°、49.5°和53°的坏死股骨头修复模型中待修复股骨头与股骨头支撑器的最大Mises应力值和位移值分别见表1和表2：

表1 不同植入角的待修复股骨头与股骨头支撑器的最大Mises应力值列表

表2 不同植入角的待修复股骨头与股骨头支撑器的最大位移值列表

并且，股骨头支撑器的最大Mises应力值变化曲线与最大位移值变化曲线，分别详见图13和图14。其中，股骨头支撑器的最大Mises应力值变化曲线为股骨头支撑器所受的最大Mises应力值随植入角变化的变化曲线，所述股骨头支撑器的最大位移值变化曲线为股骨头支撑器发生的最大位移量随植入角变化的变化曲线。

由图13和图14可看出，植入角在45°～53°时，待修复股骨头发生的位移最小，而在植入角为45°时股骨头支撑器的应力最小。综合考虑，当植入角为45°时，待修复股骨头的位移值很小为0.396mm，此时，股骨头支撑器受到的应力值最小，股骨头支撑器的位移变形量为0.37mm，远小于材料的破坏极限值，因此，股骨头支撑器在修复坏死股骨头时，能够起到支撑的作用，防止坏死股骨头再次塌陷。因而，选用植入角为45°。

之外，为验证所选择植入角是否合理，进行以下验证。具体是，对植入角为45°时，股骨头支撑器在人体不同状态时的待修复股骨头进行有限元分析。

此处，对人体的三种状态进行分析：

第一、静态站立：静态站立时股骨头支撑身体上部重力，股骨头上受到恒定载荷作用，75Kg人体单坏死修复侧站立，股骨头上受到向下作用力近似为735N，股骨头顶部受载面积约为245mm²，将作用力等效为股骨头顶部受载面的压力为：3MPa。作用时间10s，提交分析，完成有限元力学性能计算。

第二、正常步行状态：人体步行时的关节受力为交变载荷，为了简化分析步骤，步态时关节受力可以以三种步态时刻替代，不同步态时刻的关节力见下表3。

表3 不同步态时刻关节受力列表

作用时间长度均为0.1s，假设步速为0.6s一个周期，待修复股骨头顶部受到压力变化曲线详见图15。

第三、40cm高度自由下落：以40cm高度自由落下落有缓冲为条件进行分析，参考闫红光等的实验数据，体重750N，有缓冲条件下的最大冲力试验值为4156N，时间为0.094s，可得出单腿受到冲击载荷为2078N，等效为股骨头上作用的压力为8.5Mpa；1s时恢复为身体自重载荷，股骨头上作用压力为1.5MPa。

针对以上三种形态下，对人体正常股骨头、坏死股骨头、坏死修复股骨头分别进行有限元数值模拟，计算结果详见表4、表5和表6：

表4 静态载荷下股骨头力学性能对比列表

表5 步行状态下股骨头力学性能对比列表

表6 40cm高度自由落下股骨头力学性能对比列表

由表4、表5和表6可知，对比正常股骨头、坏死股骨头和坏死修复股骨头的力学性能，能明显看出股骨头支撑器在不同受力环境中均表现良好，本发明所建立的股骨头坏死修复模型的力学分析结果接近正常股骨头，能支撑起坏死股骨头，减小股骨头塌陷，降低股骨头上应力集中。

因而，以上的有限元数值模拟结果验证了本发明所建有限元模型的可靠性和可行性，能够为临床试验提供一定的参考。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、待修复股骨头的三维模型获取：采用图像处理设备获取待修复股骨头的NURBS曲面模型，并对所获取NURBS曲面模型进行同步存储；

所述待修复股骨头为存在股组织坏死区域且预采用股骨头支撑器进行修复的股骨头；所述股骨头支撑器由伞状支撑器(1)和对伞状支撑器(1)进行支撑的支撑套筒(2)组成，所述伞状支撑器(1)由多根支撑伞骨(3)组成且其下端通过伞柄(4)与支撑套筒(2)套接；

步骤二、坏死股骨头模型建立：先根据步骤一中所述伞状支撑器(1)的形状，对步骤一中所获取NURBS曲面模型中的需分离坏死区域进行确定；之后，采用所述图像处理设备在步骤一中所获取NURBS曲面模型中，标注出所述需分离坏死区域，获得坏死股骨头模型；

所述需分离坏死区域的形状与伞状支撑器(1)的上部形状相同，且其包含步骤一中所述股组织坏死区域；

步骤三、股骨头支撑器模型建立：采用图像处理设备，建立对所述待修复股骨头进行修复用的所述股骨头支撑器的三维模型；

步骤四、坏死股骨头植入模型建立：根据步骤三中所述股骨头支撑器的三维模型，对步骤二中所建立坏死股骨头模型中的植入通道进行确定，所述植入通道所处的区域为待修复区域；之后，采用所述图像处理设备从待修复股骨头的NURBS曲面模型中去除所述待修复区域，获得带植入通道的坏死股骨头植入模型，所述植入通道为植入所述股骨头支撑器与植入骨的植入区域；然后，根据所述坏死股骨头植入模型中植入通道的结构和尺寸，采用所述图像处理设备建立所述植入骨的三维模型；

所述植入通道与所述待修复股骨头底部平面之间的夹角为植入角，所述股骨头支撑器和所述植入骨的中心轴线均与所述植入通道的中心轴线一致；所述股骨头支撑器的上部外表面与所述待修复区域的上部相贴合，所述植入骨上部与所述股骨头支撑器的上部内表面相贴合，所述植入骨的下部与所述待修复区域下部相贴合；

步骤五、坏死股骨头修复模型建立，过程如下：

步骤501、材料属性信息添加：采用所述图像处理设备，对所述坏死股骨头植入模型、所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型的材料属性信息分别进行添加；

其中，对所述坏死股骨头植入模型的材料属性信息进行添加时，根据所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的灰度值，对所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的材料属性进行赋值；所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型的材料属性信息相同；

步骤502、坏死股骨头修复模型建立：将步骤501中材料属性信息添加后的所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型，均添加至步骤501中材料属性信息添加后的所述坏死股骨头植入模型中，获得所述待修复股骨头的坏死股骨头修复模型。

2.按照权利要求1所述的基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征在于：所述植入角为20°～60°。

3.按照权利要求1或2所述的基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征在于：步骤三中所建立的股骨头支撑器模型为所述股骨头支撑器的简化三维模型，所述股骨头支撑器模型的建立过程如下：

步骤301、伞状支撑器模型建立：先根据伞状支撑器(1)中支撑伞骨(3)的形状和尺寸，绘制出支撑伞骨(3)的外轮廓线，并对伞状支撑器(1)的中心轴线进行确定；之后，将所绘制支撑伞骨(3)的外轮廓线绕所确定的中心轴线进行旋转，旋转后形成旋转体；然后，根据伞状支撑器(1)中支撑伞骨(3)的宽度，对所述旋转体中相邻两个所述支撑伞骨(3)之间的区域进行切除，获得伞状支撑器(1)的三维模型；

步骤302、支撑套筒模型建立，包括以下步骤：

步骤3021、套筒主体建模：先根据支撑套筒(2)的直径、壁厚和高度，建立一个圆柱筒；

步骤3022、开孔：在步骤3021中所建立圆柱筒的筒壁上开设多个血运孔。

4.按照权利要求3所述的基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征在于：步骤3021中所述圆柱筒的直径为10mm且其为侧壁开有竖向开口的筒体，所述圆柱筒的横截面为弧形且其弧长为28.26mm；多个所述血运孔包括三个由上至下布设的圆孔和两列分别位于所述竖向开口两侧的半圆形孔，每列所述半圆形孔均包括三个由上至下布设的半圆形孔，三个所述圆孔和两列所述半圆形孔的孔径均为Φ3mm；三个所述圆孔与所述竖向开口正对，三个所述圆孔的左右两侧与所述竖向开口之间均开有三个通孔，三个所述通孔由上至下布设且其包括两个高度为3mm的三角形孔和一个位于两个所述三角形孔之间且孔径为Φ3mm的圆孔。

5.按照权利要求1或2所述的基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征在于：步骤四中进行坏死股骨头植入模型建立时，需建立待修复股骨头的M个坏死股骨头植入模型，M个所述坏死股骨头植入模型中植入通道的植入角均不相同，M个所述坏死股骨头植入模型的建立方法均相同；其中，M为正整数且M≥4；

对于任一个坏死股骨头植入模型进行建立时，先根据步骤三中所述股骨头支撑器的三维模型，并结合当前所建立坏死股骨头植入模型中植入通道的植入角，对植入通道的结构、尺寸和位置进行确定；之后，根据所述坏死股骨头植入模型中植入通道的结构、尺寸和位置，采用所述图像处理设备建立所述植入骨的三维模型；

步骤五中进行坏死股骨头修复模型建立时，需建立待修复股骨头的M个坏死股骨头修复模型，M个所述坏死股骨头修复模型中植入通道的植入角均不相同，M个所述坏死股骨头修复模型分别与步骤四中所建立的M个所述坏死股骨头植入模型一一对应。

6.按照权利要求5所述的基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征在于：步骤五中所建立的坏死股骨头修复模型为有限元模型，M个所述坏死股骨头修复模型建立完成后，还需对M个所述坏死股骨头修复模型的力学性能分别进行有限元分析，并根据有限元分析结果，绘制出股骨头支撑器的应力与位移变化曲线；所述股骨头支撑器的应力变化曲线为所述股骨头支撑器所受的最大应力值随植入角变化的变化曲线，所述股骨头支撑器的位移变化曲线为股骨头支撑器发生的最大位移量随植入角变化的变化曲线。

7.按照权利要求1或2所述的基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征在于：步骤502中进行坏死股骨头修复模型建立时，所述图像处理设备调用Abaqus软件进行建模，过程如下：

步骤5021、模型导入：将步骤501中材料属性信息添加后的所述坏死股骨头植入模型、所述股骨头支撑器的三维模型和所述植入骨的三维模型，分别导入Abaqus软件；所述股骨头支撑器的三维模型包括伞状支撑器(1)的三维模型和支撑套筒(2)的三维模型；

步骤5022、添加相互作用：在所述坏死股骨头植入模型中的植入通道与所述植入骨之间、所述植入通道与所述支撑套筒(2)的三维模型之间、所述支撑套筒(2)的三维模型与伞状支撑器(1)的三维模型之间以及所述股骨头支撑器的三维模型与所述坏死股骨头植入模型之间，分别添加绑定约束；

步骤5023、模型装配：步骤5023中添加相互作用完成后，获得装配后的所述坏死股骨头修复模型；

步骤5024、施加载荷：模型装配完成后，在所获得坏死股骨头修复模型顶部施加作用力；

步骤5025、添加边界条件：施加载荷后，将所述坏死股骨头修复模型的底部位置固定；

步骤5026、划分网格并建立有限元模型：对所述坏死股骨头修复模型进行网格划分，获得所述坏死股骨头修复模型的有限元模型。

8.按照权利要求1或2所述的基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征在于：步骤501中对所述坏死股骨头植入模型、所述股骨头支撑器和所述植入骨的材料属性信息分别进行添加时，所述图像处理设备调用Mimics软件进行添加；

根据所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的灰度值，对所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的材料属性进行赋值时，根据公式：密度Density＝-0.0000134+0.001017×Grayvalue(1)，和公式弹性模量E-Modulus＝-0.0003888+5925×Density(2)，泊松比为0.3，对所述坏死股骨头植入模型中各像素位置的材料属性进行确定；其中，Grayvalue为灰度值；

步骤502中进行坏死股骨头修复模型建立时，所述图像处理设备调用Abaqus软件进行建模，并且所建的坏死股骨头修复模型为有限元模型；步骤502中所述坏死股骨头修复模型建成后，还需调用Abaqus软件对所述坏死股骨头修复模型的力学性能进行有限元分析。

9.按照权利要求1或2所述的基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征在于：步骤一中进行待修复股骨头的三维模型获取时，过程如下：

步骤101、初步建立待修复股骨头的三维模型：先采用CT扫描仪或MRI摄取待修复股骨头所处区域的骨组织三维图像，并将所摄取的骨组织三维图像传送至所述图像处理设备；之后，所述图像处理设备调用三维图像处理软件进行图像分割，获取待修复股骨头的三维模型；

步骤102、待修复股骨头三维模型修复：采用所述图像处理设备，先对步骤101中所获取待修复股骨头的三维模型外表面上的异常点进行去除，再对待修复股骨头的三维模型上的破洞进行填补，之后对待修复股骨头的三维模型上的多边形进行松弛处理，获得修复后的待修复股骨头的三维模型；

步骤103、NURBS曲面模型构建：所述图像处理设备调用三维建模软件，对步骤102中修复后的待修复股骨头的三维模型进行处理，获得待修复股骨头的NURBS曲面模型。

10.按照权利要求9所述的基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，其特征在于：步骤101中初步建立待修复股骨头的三维模型时，先将所述骨组织三维图像存成DICOM格式，再将所述骨组织三维图像导入MIMICS软件，之后采用MIMICS软件进行图像分割，获取待修复股骨头的三维模型，并将所获取待修复股骨头的三维模型存为.STL格式；

步骤102中进行待修复股骨头三维模型修复时，先将步骤101中所获取待修复股骨头的三维模型导入逆向工程软件Geomagic Studio12，并另存为.wrp格式；

对步骤101中所获取待修复股骨头的三维模型外表面上的异常点进行去除时，将待修复股骨头的三维模型外表面上的杂质点和噪音点去除。