CN104933263B - 一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法 - Google Patents

一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法，步骤一：平均股骨模型的构建，具体包括：参数定义及其约束关系的建立；多元统计数学模型的建立；步骤二：接骨板特征的参数化，具体包括：接骨板特征生成；接骨板特征参数的层次化定义；接骨板特征的递进式编辑；步骤三：接骨板的系列化设计，具体包括：建立接骨板特征参数与平均股骨模型曲面形态参数间的映射关系；通过参数修改实现接骨板的系列化设计。本发明为计算机辅助骨科手术领域里接骨板的合理系列化设计提供了科学依据，对提高接骨板设计质量，缩短设计时间有重要意义。

Description

一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法
技术领域
本发明涉及一种数字骨科技术，具体涉及一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法，属于计算机辅助设计领域。
背景技术
作为人体最长的管状骨，股骨承受着人体上半身所有重量，股骨病变、骨折等现象频频发生。计算机数字化技术在骨科临床的广泛应用促进了新型数字骨科的快速发展，开启了采用接骨板对损坏股骨进行固定的临床治疗新思路。基于对人体股骨生理结构特性相似性的认识和理解，目前国内医疗器械商家生产出型号各异的一系列接骨板，以满足骨科临床中治疗创伤性骨折的需求。然而，验结果表明不同种族间股骨形态参数差异很大，根据西方人的股骨形态参数设计的系列化接骨板迫使骨科医生在临床手术中不断对接骨板进行对比、塑形(弯曲、裁剪等)，不仅匹配性差，降低了术后效果，而且增加了患者的疼痛程度。除此之外，接骨板本身材料和结构特性表明冷塑形会改变材质内部结构，降低材质性能，接骨板表面的刮擦也会大大增加腐蚀和电解电位的作用，缩短接骨板的疲劳寿命。以上都会导致股骨术后畸形愈合、不愈合及感染的高发生率，甚至造成严重的免疫系统损害、营养不良、肺部和胃肠道功能障碍及神经系统损伤。同时，股骨表面表现为复杂的曲面，股骨参数的有效定义和接骨板的型号划分无疑为接骨板的系列化设计增加了挑战。因此，基于根据国人股骨形态学参数构建的平均股骨模型，结合计算机辅助设计技术对接骨板系列化设计进行研究具有广泛的临床应用价值，同时受到了国内研究学者的广泛关注。
本发明在已构建的平均股骨模型的基础上，先提取出某一类固定尺寸大小的接骨板特征并进行参数化，再依据平均股骨模型的统计参数规律，将其对应到接骨板特征参数上，生成系列化特征产品。设计出的接骨板与患肢完好匹配，加大对软组织和骨愈合同时减少并发症，使得作用于患肢和接骨板上的机械应力最符合人体生理机能需求。
发明内容
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法，包括如下步骤：
步骤一：平均股骨模型的构建
步骤1a：参数定义及其约束关系的建立；根据医学意义对股骨曲面模型定义参数(包括主要形态参数和细节参数)，并建立各参数之间的相关性。
所述主要形态参数为反映股骨曲面局部形状的参数，包括股骨头特征参数、颈部特征参数、粗隆特征参数、股骨干特征参数、髁部特征参数。所述细节参数主要为股骨头各特征参数包含的具体反映股骨某一明显特征的参数，如股骨头参数包括股骨头半径Hr，颈部特征参数保包括颈峡部半径Nr、颈轴长Nln、颈部与粗隆分界轮廓长半轴Nlnc和短半轴长度Nwnc等，粗隆特征参数包括粗隆高度Th等，股骨干特征参数包括股骨干高Sh等，髁部特征参数包括外髁高Ch1、横径长度Cl1等。所述约束关系建立是指特征约束的生成表示，指以细节参数为变量的特征参数的表示。
步骤1b：多元统计数学模型的建立；根据步骤1a中设置的主要形态参数和细节参数，基于医学统计学建立由股骨形态参数决定的多元统计平均股骨数学模型。
所述建立由股骨形态参数决定的多元统计数学模型具体指建立由股骨形态参数决定的股骨多参数正态分布密度函数。采集N个股骨样本模型，并抽取M个形态参数(M1个主要形态参数，M2个细节参数)。假设M1个主要形态参数的总体均值向量用μ1表示，M2个细节形态参数的总体均值向量用μ2表示，总体均值向量用μ表示，则μ＝μ1A+μ2B，其中A，B分别为M1×M1和M2×M2的矩阵，且除对角线上的元素分别对应相应形态参数的权重值，其余元素均为零，权重的取值由骨科医生根据临床经验确定。总体协方差矩阵用Σ表示(由构成的M×M总体协方差矩阵，σjk为第j个反应变量与第k个反应变量的总体协方差)，则反映股骨形态的M维多元正态分布的概率密度函数表示为：
其中，|Σ|表示Σ的行列式，Σ-1表示Σ的逆矩阵。
步骤二：接骨板特征的参数化
步骤2a：接骨板特征生成；从多元统计平均股骨数学模型表面中获取接骨板贴合面，生成接骨板特征；
步骤2b：接骨板特征参数的层次化定义；
所述层次参数定义是指在基础特征上将股骨曲面特征分层为全局特征层、局部特征层、细节特征层。特征参数修改全局特征，特征线参数修改局部特征，特征线上关键点修改细节特征。
步骤2c：接骨板特征的递进式编辑；
所述递进式编辑是指将特征参数从高层到底层分为高层参数、中间层参数和底层参数，建立从底层的股骨曲面特征点到高层的股骨曲面特征形状的编辑结构，并在三层参数间分别建立相关映射和约束关系。高层参数描述股骨曲面特征的整体形状，中间层参数描述股骨曲面特征线的形状，底层参数描述股骨曲面特征点。
步骤三：接骨板的系列化设计
步骤3a：建立接骨板特征参数与多元统计平均股骨数学模型曲面形态参数间的映射关系；
步骤3b：通过参数修改实现接骨板的系列化设计；根据步骤3a中映射关系，通过建立的由股骨形态参数决定的多元统计数学模型，设计出接骨板系列化产品。
本发明的有益之处在于：基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法，应用于医学骨科手术与医药器材制造领域，为接骨板的设计提供科学依据，对提高接骨板设计效率和手术质量具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是股骨头、股骨颈参数约束生成示意图；
图3是粗隆参数约束生成示意图；
图4是股骨干约束生成示意图；
图5是髁部约束生成示意图；
图6是股骨多参数正态分布密度函数示意图；
图7是接骨板特征的递进式编辑示意图；
图8是股骨近端系列化接骨板示意图；
图9是股骨远端系列化接骨板示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1所示，一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法，包括如下步骤：
步骤一：平均股骨模型的构建
步骤1a：参数定义及其约束关系的建立。根据医学意义对股骨曲面模型定义参数(包括主要形态参数和细节参数)，并建立各参数之间的相关性。
主要形态参数为反映股骨曲面局部形状的参数，包括股骨头特征参数、颈部特征参数、粗隆特征参数、股骨干特征参数、髁部特征参数。
细节参数主要为股骨头各特征参数包含的具体反映股骨某一明显特征的参数，如图2所示，股骨头参数包括股骨头半径Hr，颈部特征参数保包括颈峡部半径Nr、颈轴长Nln、颈部与粗隆分界轮廓长半轴Nlnc和短半轴长度Nwnc等；如图3所示，粗隆特征参数包括粗隆高度Th等；如图4所示，股骨干特征参数包括股骨干高Sh等；如图5所示，髁部特征参数包括外髁高Ch1、横径长度Cl1等。所述约束关系建立是指特征约束的生成表示，指以细节参数为变量的特征参数的表示。
步骤1b：多元统计数学模型的建立。根据步骤1a中设置的主要形态参数和细节参数，基于医学统计学建立由股骨形态参数决定的多元统计平均股骨数学模型。
参照图6所示，所述建立由股骨形态参数决定的多元统计数学模型具体指建立由股骨形态参数决定的股骨多参数正态分布密度函数。采集N个股骨样本模型，并抽取M个形态参数(M1个主要形态参数，M2个细节参数)。假设M1个主要形态参数的总体均值向量用μ1表示，M2个细节形态参数的总体均值向量用μ2表示，总体均值向量用μ表示，则μ＝μ1A+μ2B，其中A，B分别为M1×M1和M2×M2的矩阵，且除对角线上的元素分别对应相应形态参数的权重值，其余元素均为零，权重的取值由骨科医生根据临床经验确定。总体协方差矩阵用Σ表示(由σjk(j,k＝1,2,...,M)构成的M×M总体协方差矩阵，σjk为第j个反应变量与第k个反应变量的总体协方差)，则反映股骨形态的M维多元正态分布的概率 密度函数表示为：
其中，|Σ|表示Σ的行列式，Σ-1表示Σ的逆矩阵。
步骤二：接骨板特征的参数化
步骤2a：接骨板特征生成；从多元统计平均股骨数学模型表面中获取接骨板贴合面，生成接骨板特征；
步骤2b：接骨板特征参数的层次化定义；
所述层次参数定义是指在基础特征上将股骨曲面特征分层为全局特征层、局部特征层、细节特征层。特征参数修改全局特征，特征线参数修改局部特征，特征线上关键点修改细节特征。
步骤2c：接骨板特征的递进式编辑；
参照图7所示，所述递进式编辑是指将特征参数从高层到底层分为高层参数、中间层参数和底层参数，建立从底层的股骨曲面特征点到高层的股骨曲面特征形状的编辑结构，并在三层参数间分别建立相关映射和约束关系。高层参数描述股骨曲面特征的整体形状，中间层参数描述股骨曲面特征线的形状，底层参数描述股骨曲面特征点。
步骤三：接骨板的系列化设计
步骤3a：建立接骨板特征参数与多元统计平均股骨数学模型曲面形态参数间的映射关系；
步骤3b：通过参数修改实现接骨板的系列化设计。
参照图8、9所示，根据步骤3a中映射关系，通过建立的由股骨形态参数决定的多元统计数学模型，设计出股骨近端和股骨远端接骨板系列化产品。
未进一步说明的均为现有技术。尽管人体其他骨骼的平均骨骼模型的表示和相应植入物的系列化设计方法可能不同，本发明同样可扩展到其他骨骼植入物的系列化设计。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下做出的若干改进和变形均应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：平均股骨模型的构建；
步骤1a：参数定义及其约束关系的建立；
根据医学意义对股骨曲面模型定义参数，包括主要形态参数和细节参数，并建立各参数之间的相关性；
步骤1b：多元统计数学模型的建立；
根据步骤1a中设置的主要形态参数和细节参数，基于医学统计学建立由股骨形态参数决定的多元统计平均股骨数学模型；
步骤二：接骨板特征的参数化；
步骤2a：接骨板特征生成；
从多元统计平均股骨数学模型表面中获取接骨板贴合面，生成接骨板特征；
步骤2b：接骨板特征参数的层次化定义；
步骤2c：接骨板特征的递进式编辑；
步骤三：接骨板的系列化设计；
步骤3a：建立接骨板特征参数与多元统计平均股骨数学模型曲面形态参数间的映射关系；
步骤3b：通过参数修改实现接骨板的系列化设计；
根据步骤3a中映射关系，通过建立的由股骨形态参数决定的多元统计数学模型，设计出接骨板系列化产品。
2.根据权利要求1所述的一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法，其特征在于，步骤1a中，所述主要形态参数为反映股骨曲面局部形状的参数，所述细节参数主要为股骨头各特征参数包含的具体反映股骨某一明显特征的参数，所述约束关系建立是指特征约束的生成表示，指以细节参数为变量的特征参数的表示。
3.根据权利要求1所述的一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法，其特征在于，步骤1b中，所述建立由股骨形态参数决定的多元统计数学模型具体指建立由股骨形态参数决定的股骨多参数正态分布密度函数。
4.根据权利要求1所述的一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法，其特征在于，步骤2b中，所述层次参数定义是指在基础特征上将股骨曲面特征分层为全局特征层、局部特征层、细节特征层，特征参数修改全局特征，特征线参数修改局部特征，特征线上关键点修改细节特征。
5.根据权利要求1所述的一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法，其特征在于，步骤2c中，所述递进式编辑是指将特征参数从高层到底层分为高层参数、中间层参数和底层参数，建立从底层的股骨曲面特征点到高层的股骨曲面特征形状的编辑结构，并在三层参数间分别建立相关映射和约束关系，高层参数描述股骨曲面特征的整体形状，中间层参数描述股骨曲面特征线的形状，底层参数描述股骨曲面特征点。
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