CN104739548A - 一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，属于医疗产品设计领域，该设计系统基于交互式可视化医学图像处理和计算机辅助设计技术，特别涉及股骨假体模型的个性参数化驱动。首先，利用交互式医学影像处理模块重构骨骼模型，并测量骨形态参数值；通过股骨假体个性参数分析模块分析假体设计的个性参数；通过构建参数表达式、创建参数草图、添加约束、扫掠等操作，完成假体个性参数化建模；调整股骨假体参数，进行假体设计匹配验证。该假体依据患者实际的生理特征参数，自动修改变量即可完成个性化建模，不仅可以提高设计质量和效率，而且可以根据不同病人骨骼的形状、尺寸特征进行产品的设计制造，满足生产和临床实用需求。

Description

一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统

技术领域

本发明涉及个性化医学植入体的设计领域，特别涉及基于交互式可视化医学图像处理和计算机辅助设计技术的一种参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统。

背景技术

目前，进行人工膝关节置换成为治疗骨性关节炎、恢复膝关节功能的有效方法，已得到医学界的广泛认可和接受。据统计，目前世界上大约有3.55亿关节疾病患者，欧美国家每年将有20万到30万例全膝关节置换手术(Total Knee Replacement,TKR),2013年我国髋关节、膝关节置换总数约有50万例，膝关节置换数量平均每年以26.9％～27.9％的比例增长。然而研究表明，膝关节解剖形态随性别、种族不同，差异明显。国内外通用的系列化标准化假体，分为几个有限系列和规格，难以满足患者个体化的需求，匹配性差，影响手术长期效果和假体的使用寿命。而国内外研究的定制化膝关节假体，根据患者个体化定制，虽然能明显提高匹配率，但建模效率低，成本高，假体可重复利用率低，续研能力不足。以上所述的问题有待解决，这就需要研究一种新的股骨假体设计系统，在提高匹配率的同时，缩短设计时间，提高效率，满足生产和临床实用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于参数化驱动 的个体化人工膝关节假体的设计系统，所述的这种参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，能根据患者个性化定制假体，提高股骨假体匹配率和假体使用寿命，建模效率高，避免重复劳动，缩短产品的设计周期，提高模型的二次应用率，具有巨大的社会效益和经济效益。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，其特征在于，通过该设计系统得到的人工膝关节假体为参数化的可自动驱动的假体，该假体依据患者股骨实际的生理特征参数，自动修改假体变量即可完成假体个性化建模，效率高、匹配性好。该个性可参数驱动股骨假体的设计系统包括：交互式可视化医学影像处理模块；股骨假体个性参数分析模块；股骨假体个性参数化建模模块；个性化股骨假体设计验证分析模块。

在一个优选的实施例中，所述交互式可视化医学影像处理模块包括医学影像三维精确建模处理和股骨远端形态参数测量，所述医学影像三维精确建模处理，其功能在于基于交互式可视化医学影像处理软件精确重构股骨远端三维模型，采用交互式可视化医学影像处理模块，导入患者医学影像数据如CT、MRI等，通过定义上下、左右、前后方向得到可视化的轴状、冠状和矢状面视图，对股骨远端关节轮廓区域采用轮廓提取、阈值分割、区域增长、多层编辑等操作，快速重构膝关节股骨远端数字化三维模型，并对三维模型数据进行精确降噪处理；所述股骨远端形态参数测量，其功能在于基于交互式可视化医学影像处理软件测量股骨远端形态参数值，根据重构的三维数据模型，采用交互式可视化医学影像处理模块，确定股骨髁关节面，测量并记录股骨远端各形态参数值。

在一个优选的实施例中，所述股骨假体个性参数分析模块包括分析确定个 性化膝关节股骨假体的特征结构参数，所述分析确定个性化膝关节股骨假体的特征结构参数，其用于确定膝关节股骨假体的形状和大小，能够用医学CT/MRI数据图像获取人体膝关节个性化主要特征参数，根据测得的股骨远端各形态参数值，分析确定股骨远端大小及形状的主要参数，由此确定股骨假体个性化的主要特征结构参数。

在一个优选的实施例中，所述股骨假体个性参数化建模模块包括定义个性化设计变量、股骨假体参数化建模和模型的参数化验证，所述定义个性化设计变量，其用于构建膝关节股骨假体模型的个性化参数表达式，根据确定的个性化主要特征结构参数定义个性化设计变量，并根据设计变量及假体结构构建多个参数表达式；所述股骨假体参数化建模，其用于得到膝关节股骨假体的参数化模型，创建参数化草图，添加尺寸约束和几何约束，通过拉伸、裁剪等操作，初步形成假体形状，并采用多条扫掠线构成扫掠面裁剪形成股骨远端曲面，然后对模型进行倒角、面倒圆、布尔运算等操作，完成个性化膝关节股骨假体的参数化模型；所述模型的参数化验证，其用于修改个性化主要特征参数，检查模型是否是参数化模型，确定其能否快速完成建模，此参数化模型可直接用于后续的假体设计，而无需再次重复建模步骤，只需调整参数即可。

在一个优选的实施例中，所述个性化股骨假体设计验证分析模块包括模拟股骨假体置换和假体匹配性验证，所述模拟股骨假体置换，其用于将设计的个性参数化膝关节股骨假体植入患者膝关节骨骼模型，得到膝关节置换模型，利用个性化股骨假体设计验证模块，改变主要结构特征参数值调整设计的个体化假体模型与股骨远端最佳配合，模拟股骨远端截骨，并在软件系统模块中用系统工具将截骨后的股骨远端模型与股骨假体的三维坐标系匹配一致，然后进行模拟装配；所述假体匹配性验证，其用于分析置换后膝关节股骨假体的匹配情 况，基于配合面和假体的生产面之间的差别及股骨、假体的应力分析实现。

本发明的优点在于：

1、本发明首次提出采用参数化设计方法设计贴近解剖形态的个性可参数驱动的膝关节股骨假体，该假体依据患者股骨实际的生理特征参数，自动修改假体变量即可完成假体个性化建模，彻底克服传统设计系统的弊端，不仅可以提高产品的设计质量和设计效率，缩短产品的设计周期，提高模型二次应用率，而且可以根据不同病人骨骼的形状、尺寸特征进行产品的设计和制造，满足各种需求，设计出能与患者匹配较高的人工膝关节股骨假体；

2、本发明提出了用简单的数据图像获取人体膝关节股骨假体个性化特征参数，既个性又简单易用，满足生产和临床实用需求。

3、本发明提出的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，操作简单快捷，通用性和实用性强，容易得到推广。

4、本发明设计得到的参数化可自动驱动的个体化膝关节股骨假体，可进行二次利用，改变参数即可得到一系列规格的假体，续研能力强。

附图说明

为了便于说明本发明的技术方案，以下结合附图来对本发明技术方案进行详细的描述。

图1是本发明公开的设计系统流程示意图。

图2是采用交互式可视化医学影像处理模块重构出的股骨远端三维模型示意图。

图3是本发明股骨远端测量参数示意图。

图4是本发明定义变量及参数表达式示意图。

图5是本发明草图拉伸模型示意图。

图6是本发明拉伸裁剪模型示意图。

图7是本发明扫掠面裁剪模型示意图。

图8是本发明完成建模的参数化股骨假体模型示意图。

图9是本发明改变参数前后股骨假体模型示意图。

图10是本发明假体与股骨远端最优配合确定截骨面示意图。

图11是本发明关节置换模型匹配示意图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1-股骨髁宽，2-股骨外侧髁宽，3-股骨外侧髁前后径，4-股骨外侧髁倾角，5-股骨内侧髁倾角，6-股骨内侧髁前后径，7-股骨髁间窝深，8-股骨内侧髁宽，9-裁切面，10-扫掠面，11-调整参数后的假体模型，12-调整参数前的假体模型，13-调整参数前后的假体对比模型，14-截骨面一，15-截骨面二, 16-截骨面三, 17-截骨面四，18-截骨面五, 19-参数驱动的个体化膝关节假体，20-假体与截骨面贴合，AP-股骨髁前后径，r1-曲率半径一，r2-曲率半径二,r3-曲率半径三,r4-曲率半径四,p1,p2 -假体设计约束参数, a1,a2,a3-假体接触面尺寸。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明的设计系统流程示意图如图1所示。一种基于交互式可视化医学影像处理模块、股骨假体个性参数分析模块、股骨假体个性参数化建模模块、个性化股骨假体设计验证分析模块的可自动驱动的个体化膝关节股骨假体的设计系统，其包括以下步骤：

①采用交互式可视化医学影像处理模块，导入患者连续的膝关节断层扫描图像(DICOM)原始数据，如电子计算机断层扫描(CT)/核磁共振(MRI)图像等，定义上下、左右、前后方向，根据可视化的轴状、冠状和矢状面视图，对股骨远端关节轮廓区域采用轮廓提取、阈值分割、区域增长、多层编辑等操作，重构膝关节股骨远端数字化三维模型，如图2所示。如有需要，可对三维模型数据进行降噪处理，处理后的模型可用于骨形态参数测量、截骨、截骨后数据的测量、模拟置换等；

②根据重构的三维数据模型，采用交互式可视化医学影像处理模块，确定股骨髁关节面，并用距离测量工具(Measure 3D distance)在股骨髁关节面上测量并记录股骨远端各形态参数值，测量参数如图3所示，其中，如图3所示中，1为股骨髁宽，2为股骨外侧髁宽，3为股骨外侧髁前后径，4为股骨外侧髁倾角，5为股骨内侧髁倾角，6为股骨内侧髁前后径，7为股骨髁间窝深，8为股骨内侧髁宽；

③股骨假体个性参数分析模块，根据测得的股骨远端各形态参数值，分析确定股骨远端大小及形状的主要参数，确定股骨髁前后径(AP)、股骨髁内外径(ML)、股骨髁曲率半径为假体设计的个性化重要特征结构参数；

④根据确定的个性化主要特征结构参数定义个性化设计变量，根据设计变量及假体结构构建多个参数表达式，定义股骨髁宽(ML)为w，股骨髁前后径(AP)和各曲率半径分别建立与g(定义的另一变量)相关的不同表达式；

⑤对股骨假体进行个性参数化建模，绘制如图4所示的草图，并添加尺寸约束与几何约束，其中a1为股骨髁前后径(AP)，r1,r2,r3,r4为股骨髁曲率半径，草图务必要全部约束，否则在参数驱动时无法成功建模；通过对称拉伸得到如图5所示模型，将上述操作得到的图形通过添加基准面、基准轴及修剪体操作，得到如图6所示图形，结构9为通过基准面裁剪得到；进一步地，对上述所得图形采用偏置面、拉伸裁剪、边倒圆等操作，并绘制九条扫掠线，对偏置后的图形进行扫掠裁剪，如图7所示；其中，结构10为由九条扫掠线构成的扫掠面，该面是形成股骨髁远端面的重要部分；进一步地，在上述操作的基础上，进行草图绘制、拉伸、裁剪、边倒圆等操作，最终得到如图8所示个性化符合解剖结构的参数化膝关节股骨假体；

⑥验证股骨假体参数化模型，修改个性化特征参数，检查模型是否能顺利 实现建模，若无法顺利实现建模，返回上步操作，对设计进行修改，直到实现可参数驱动即可，并保存参数模型；在本实施例中，改变与AP值、ML值和股骨髁曲率半径相关的个性化参数变量w和g的值，参数化股骨假体模型变化如图9所示，所示11表示调整参数后的假体模型，所示12表示调整参数前的假体模型，所示13表示调整参数前后的假体对比模型，此参数化模型可直接用于后续的假体设计，而无需再次重复建模步骤，只需调整参数即可；

⑦利用个性化股骨假体设计验证模块，对患者股骨远端模型进行术前规划，调整可自动驱动的个体化膝关节股骨假体的参数值得到合适的假体模型，使其与股骨最佳贴合匹配，由此确定截骨面，如图10假体与股骨远端最优配合确定截骨面示意图所示，图中所示14为截骨面一，所示15为截骨面二,所示16为截骨面三,所示17为截骨面四，所示18为截骨面五,所示19为参数驱动的个体化膝关节假体；依照手术方案模拟股骨远端截骨，通过布尔运算等操作得到股骨远端截骨模型，在软件系统模块中用系统工具将截骨后的股骨远端模型与股骨假体的三维坐标系匹配一致，再通过平移、旋转、约束等操作完成关节置换装配操作，如图11关节置换模型匹配示意图所示；

⑧对置换后的模型进行匹配性验证，该操作基于配合面和假体的生产面之间的差别及分析股骨、假体的应力实现，由图11，所示20为假体与股骨截骨面贴合处，可以看出股骨远端截骨面与假体最优配合，此时股骨及假体应力小，避免出现应力集中。

所述步骤①、步骤②中，股骨远端数字化三维模型重构和解剖参数的测量采用交互式医学图像处理软件为核心。

所述步骤⑤中，股骨假体个性参数化建模中涉及的操作尺寸均采用参数表达式，以参数表达式为核心。

所述步骤⑦、步骤⑧中，模拟置换及匹配性验证以通用的交互式三维CAD系统软件为核心。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这一实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，其特征在于，通过该设计系统得到的假体为可自动驱动的个体化假体，该假体依据患者股骨实际的生理特征参数，自动修改假体变量即可完成假体个体化建模，效率高、匹配性好；该可自动驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统包括：交互式可视化医学影像处理模块；股骨假体个性参数分析模块；股骨假体个性参数化建模模块；个性化股骨假体设计验证分析模块。

2.如权利要求1所述的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，其特征在于，所述交互式可视化医学影像处理模块包括医学影像三维精确建模处理和股骨远端形态参数测量，所述医学影像三维精确建模处理，其功能在于基于交互式可视化医学影像处理软件精确重构股骨远端三维模型；所述股骨远端形态参数测量，其功能在于基于交互式可视化医学影像处理软件测量股骨远端形态参数值。

3.如权利要求2所述的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，其特征在于，所述股骨假体个性参数分析模块包括分析确定个性化膝关节股骨假体的特征结构参数，所述分析确定个性化膝关节股骨假体的特征结构参数，其能够用简单的电子计算机断层扫描（CT）/核磁共振（MRI）等医学图像获取人体膝关节个性化主要特征参数确定膝关节股骨假体的形状和大小。

4.如权利要求3所述的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，其特征在于，所述股骨假体个性参数化建模模块包括定义个性化设计变量、股骨假体参数化建模和模型的参数化验证，所述定义个性化设计变量，其用于构建膝关节股骨假体模型的个性化参数表达式；所述股骨假体参数化建模，其用于得到个体化膝关节股骨假体的参数化模型；所述模型的参数化验证，其用于修改个性化主要特征参数，检查模型是否是参数化模型。

5.如权利要求4所述的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，所述个性化股骨假体设计验证分析模块包括模拟股骨假体置换和假体匹配性验证，所述模拟股骨假体置换，其用于将设计的个性参数化膝关节股骨假体植入患者膝关节骨骼模型，得到膝关节置换模型；所述假体匹配性验证，其用于分析置换后膝关节股骨假体的匹配情况。

6.一种基于如权利要求1到5任一项所述系统的可自动驱动的个体化膝关节假体，其包括以下步骤：

采用交互式可视化医学影像处理模块，导入患者连续的膝关节断层扫描图像（DICOM）原始数据，如电子计算机断层扫描（CT）/核磁共振（MRI）图像等，根据可视化的轴状、冠状和矢状面视图，对股骨远端关节轮廓区域采用轮廓提取、阈值分割、区域增长、多层编辑等操作，重构膝关节股骨远端数字化三维模型，并对三维模型数据进行降噪处理；

根据重构的三维数据模型，采用交互式可视化医学影像处理模块，确定股骨髁关节面，用距离测量工具（Measure 3D distance）在股骨髁关节面上测量并记录股骨远端各形态参数值；

股骨假体个性参数分析模块，根据测得的股骨远端各形态参数值，分析确定股骨远端大小及形状的主要参数；

根据确定的个性化主要特征结构参数定义个性化设计变量，根据设计变量及假体结构构建多个参数表达式；

对股骨假体进行个性参数化建模，绘制草图并添加尺寸约束与几何约束，通过对称拉伸、添加基准面、基准轴及修剪体、偏置面、拉伸裁剪、边倒圆、扫掠等系列操作，得到个性化符合解剖结构的参数化膝关节股骨假体；

验证股骨假体参数化模型，修改个性化特征参数，检查模型是否能顺利实现建模，若无法顺利实现建模，重复上述操作，对设计进行修改，直到实现可参数驱动即可，并保存参数模型；

利用个性化股骨假体设计验证模块，对患者股骨远端模型进行术前规划，调整可自动驱动的个体化膝关节股骨假体的参数值得到合适的假体模型，使其与股骨远端最佳贴合匹配，由此确定截骨面；依照手术方案模拟股骨远端截骨，通过布尔运算等操作得到股骨远端截骨模型，在软件系统模块中用系统工具将截骨后的股骨远端模型与股骨假体的三维坐标系匹配一致，再通过平移、旋转、约束等操作完成关节置换装配操作；

对置换后的模型进行匹配性验证，该操作基于配合面和假体的生产面之间的差别及分析股骨、假体的应力实现。

7.如权利要求6所述的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，其特征在于，所述步骤、步骤中，股骨远端数字化三维模型重构和解剖参数的测量采用交互式医学图像处理软件为核心。

8.如权利要求6所述的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，其特征在于，所述步骤中，股骨假体个性参数化建模中涉及的操作尺寸均采用参数表达式，以参数表达式为核心。

9.如权利要求6所述的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统，其特征在于，所述步骤、步骤中，模拟置换及匹配性验证以通用的交互式三维CAD系统软件为核心。