CN105069181A - 基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法。首先，导入患者骨折模型，测量有效股骨模型参数；其次，利用股骨有效参数，构建患者股骨曲面特征模型，并将主要骨折线投影至股骨模型，恢复骨折主要痕迹，构建股骨骨折复位曲面模型；然后，在股骨矢状面上绘制个性化轮廓草图，将轮廓投影至股骨复位模型中，截取局部曲面，构成股骨贴合面，对贴合面轮廓参数化，建立股骨参数和贴合面参数间映射；接着，将贴合面沿矢状面方向，向外不等距拉伸，构建接骨板实体，定义实体特征，并建立贴合面和实体特征参数间映射，生成接骨板特征。最后，将特征导出，生成个性化接骨板。本发明能够通过患者股骨参数直观、准确地创建个性化解剖型接骨板，能够基于参数的修改快速生成同类型接骨板，对骨科手术中患者接骨板个性化设计有重要意义。

Description

基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法

技术领域

本发明涉及一种个性化股骨接骨板的设计技术，具体涉及一种基于股骨参数快速构建个性化远端解剖型接骨板构建方法，本发明属于计算机辅助设计领域。

背景技术

随着计算机数字技术和医学成像技术的迅速发展，计算机辅助骨科手术成为发展最为迅速的领域，利用相关的计算机技术进行骨科植入物和假体设计的研究与应用在国内外受到广泛重视。股骨远端表面解剖形态复杂，现有系列化接骨板很难贴合患者股骨骨折特征，影响骨折治疗效果；个性化接骨板是针对某个体而专门设计制造的，具有特定的解剖形态特征，手术中无需再进行选型和塑形，能促进骨骼表面形态，尤其关节表面的复位。骨骼形态和骨折程度个性化差异性是股骨远端接骨板个性化设计的最大问题。常见的设计方法是：首先，利用患者完整CT数据，构建患者股骨骨折网格模型；其次，对骨折块进行手工矫正和复位，优化网格，重构患者股骨正常曲面模型；接着，在曲面中截取接骨板贴合面；最终，通过拉伸贴合面，生成个性化接骨板实体。其缺点主要包括：设计过程复杂；当股骨部分数据缺损或粉碎严重时，无法准确复位正常股骨模型；难以表示患者股骨特征参数与个性化接骨板参数间关系。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，基于股骨有效特征参数自动创建患者股骨曲面模型，并恢复主要骨折痕迹，建立股骨参数和接骨板特征参数间映射关系，能够通过患者股骨参数直观、准确地设计个性化接骨板，所设计接骨板可作为模板，用于不同患者、同类型个性化接骨板的快速设计。对股骨手术中患者接骨板个性化设计有重要意义。

为解决上述问题，本发明具体采用以下技术方案：

一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过测量患者骨折股骨模型，获得有效股骨模型参数，基于股骨特征曲面模型构建方法，创建患者股骨曲面模型，提取患者主要骨折线，并投影至股骨曲面模型中，构建股骨骨折复位曲面模型；

步骤2：依据复位骨折线，绘制接骨板轮廓，截取骨骼模型中局部曲面，向外侧偏移，生成接骨板贴合面，对个性化贴合面和实体特征进行参数，便于接骨板的编辑修改，构建层次化参数映射；将特征导出，快速生成个性化接骨板。

前述的一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1a，导入患者骨折股骨模型，提取主要骨折线，测量有效股骨模型参数；

步骤1b，利用步骤1a中参数，构建患者股骨曲面特征模型，并将步骤1a中骨折线投影至股骨模型，复位骨折线，构建股骨骨折复位曲面模型；

步骤1c，经过骨干轴，垂直于内、外髁两点连线，创建矢状面，在矢状面中绘制个性化接骨板轮廓，将轮廓投影至步骤1b中股骨复位曲面模型，截取局部曲面，并沿矢状面方向向外偏移1～3mm，构成接骨板贴合面(接骨板贴近骨骼的曲面)。

前述的一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2a，对步骤1c中贴合面，进行特征参数化设计，并建立步骤1a中股骨参数和贴合面参数间映射；

步骤2b，将步骤1c中贴合面，沿矢状面方向，向外不等距拉伸，生成接骨板实体，并对实体特征(厚度)参数化；

步骤2c，创建步骤2a中贴合面参数和步骤2b中实体参数间映射，生成个性化接骨板特征；

步骤2d，将步骤2c中个性化接骨板特征导出，构建个性化股骨接骨板。

前述的一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤1的步骤1a中，所述有效股骨模型参数包括股骨长、头半径、头部高度。

前述的一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤1的步骤1b中，所述构建股骨骨折复位曲面模型，参考冠状面将骨折线切割为前后两部分，并将两段曲线，分别沿着冠状面(经过骨干轴和内、外髁两点连线的平面)方向，投影至股骨曲面。

前述的一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤2的步骤2a中，对接骨板贴合面进行特征参数化，包括不同部位的宽度和长度；股骨参数和贴合面参数间映射，包括股骨长、头半径、头部高度和轮廓宽度、长度参数间的两两线性关系。

前述的一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤2的步骤2b中，所述不等距为3种间距，由骨干向远端方向依次递减。

前述的一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤2的步骤2c中，贴合面参数和实体参数间映射，为两两线性关系。

本发明的有益效果：本发明提供的一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，基于患者有效股骨参数快速自动创建个性化股骨远端接骨板，系统运行效率高，同时支持接骨板的局部修改。本发明应用于医学骨科手术与医药器材制造领域，能够通过参数直观、准确地表示个性化接骨板形态，指导针对患者股骨特征参数的个性化接骨板设计，对模拟手术和提高手术效果具有重要意义。

附图说明

图1是本发明中一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法流程图；

图2是本发明中股骨骨折复位曲面模型创建过程示意图；

图3是本发明中个性化接骨板贴合面创建示意图；

图4是本发明中个性化接骨板贴合面参数化识别示意图；

图5是本发明中个性化接骨板实体参数化识别示意图；

图6是本发明中所创建个性化接骨板对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，可以概括为主要包括以下几个步骤：

步骤1：通过测量患者骨折股骨模型，获得有效股骨模型参数，基于股骨特征曲面模型构建方法，创建患者股骨曲面模型，提取患者主要骨折线，并投影至股骨曲面模型中，构建股骨骨折复位曲面模型；

步骤2：依据复位骨折线，绘制接骨板轮廓，截取骨骼模型中局部曲面，向外侧偏移，生成接骨板贴合面(接骨板贴近骨骼的曲面)，对个性化贴合面和实体特征进行参数，便于接骨板的编辑修改，构建层次化参数映射；将特征导出，快速生成个性化接骨板。

具体的，首先，基于患者股骨骨折信息，导入骨折模型，测量有效股骨参数，基于参数创建患者股骨特征曲面模型，并恢复主要骨折线，构建股骨骨折复位曲面模型。包括以下步骤：

步骤1a，导入患者骨折股骨模型，提取主要骨折线，测量有效股骨模型参数；

步骤1b，利用步骤1a中参数，构建患者股骨曲面特征模型，并将步骤1a中骨折线投影至股骨模型，复位骨折线，构建股骨骨折复位曲面模型；

步骤1c，经过骨干轴，垂直于内、外髁两点连线，创建矢状面，在矢状面中绘制个性化接骨板轮廓，将轮廓投影至步骤1b中股骨复位曲面模型，截取局部曲面，并沿矢状面方向向外偏移1～3mm，构成接骨板贴合面。

然后，依据骨折痕迹，在骨折复位曲面模型中，截取局部曲面作为接骨板贴合面；对贴合面参数化，通过曲面拉伸生成接骨板实体，对其特征参数化；建立股骨参数、贴合面参数和实体参数间层次化映射关系，生成接骨板特征；将特征导出，生成个性化接骨板实体。包括以下步骤：

步骤2a，对步骤1c中贴合面轮廓，进行特征参数化设计，并建立步骤1a中股骨参数和贴合面参数间映射；

步骤2b，将步骤1c中贴合面，沿矢状面方向，向外不等距拉伸，生成接骨板实体，并对实体特征(厚度)参数化；

步骤2c，创建步骤2a中贴合面参数和步骤2b中实体参数间映射，生成个性化接骨板特征；

步骤2d，将步骤2c中个性化接骨板特征导出，构建个性化股骨接骨板。

前述有效股骨模型参数包括股骨长、头半径、头部高度。

前述构建股骨骨折复位曲面模型，参考冠状面将骨折线切割为前后两部分，并将两段曲线，分别沿着冠状面方向，投影至股骨曲面。

前述步骤2的步骤2a中，贴合面进行特征参数化，包括不同部位的宽度和长度；股骨参数和贴合面参数间映射，包括股骨长、头半径、头部高度和轮廓宽度、长度参数间的两两线性关系。

前述步骤2的步骤2b中，所述不等距为3种间距，由骨干向远端方向依次递减。

前述步骤2的步骤2c中，所述贴合面参数和实体参数间映射，为两两线性关系。

如图2所示，(a)所述将患者远端骨折模型导入至CATIA平台，测量其有效参数，如股骨长(F_h)、头半径(H_r)、或头部高度(H_off)，创建主要骨折线以表示骨折痕迹；(b)所述基于股骨有效参数，快速构建患者股骨特征曲面模型；(c)所述使用投影方式恢复骨折线。

如图3所示，绘制草图轮廓截取贴合面。(a)所述针对骨位骨折线，在矢状面中，参考骨干轴线，绘制贴合面轮廓草图；(b)所述将轮廓草图沿着矢状面方向，投影至股骨外侧曲面，截取局部区域，并沿矢状面方向，向外偏移1～3mm，构成接骨板贴合面。

如图4所示，对贴合面轮廓进行特征参数化，定义长度参数：L₁、L₂和L₃，定义宽度参数：W₁和W₂；通过特征参数编辑贴合面轮廓特征。建立股骨参数Fh与贴合面参数间线性映射：L₁＝α₁*F_h，L₂＝α₂*F_h，L₃＝α₃*F_h，W₁＝α₄*F_h，W₂＝α₄*F_h，其中{α₁，α₂，α₃，α₄}为比例系数。

如图5所示，将贴合面沿矢状面方向，向外进行不等距拉伸，构建接骨板实体。对实体特征(厚度)参数化，定义特征参数：H1、H2和H3；建立贴合面参数与实体特征参数间线性映射：H₁＝β₁*L₁，H₂＝β₂*L₂，H₃＝β₃*L₃，其中{β₁，β₂，β₃}为比例系数。

如图6所示，基于患者有效股骨参数F_h，利用层次化映射关系，(a)所述可自动生成接骨板模板化特征；(b)所述通过编辑特征参数，可实现接骨板局部形状的修改。

本发明未进一步说明的均为现有技术。

本发明给出了一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法。首先，导入患者骨折模型，测量有效股骨模型参数；其次，利用股骨有效参数，构建患者股骨曲面特征模型，并将主要骨折线投影至股骨模型，恢复骨折主要痕迹(骨折线)，构建股骨骨折复位曲面模型；然后，在股骨矢状面上绘制个性化轮廓草图，将轮廓投影至股骨复位模型中，截取局部曲面，构成股骨贴合面，对贴合面轮廓参数化，建立股骨参数和贴合面参数间映射；接着，将贴合面沿矢状面方向，向外不等距拉伸，构建接骨板实体，定义实体特征，并建立贴合面和实体特征参数间映射，生成接骨板特征。最后，将特征导出，生成个性化接骨板。本发明能够通过患者股骨参数直观、准确地创建个性化解剖型接骨板，能够基于参数的修改快速生成同类型接骨板，对骨科手术中患者接骨板个性化设计有重要意义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过测量患者骨折股骨模型，获得有效股骨模型参数，基于股骨特征曲面模型构建方法，创建患者股骨曲面模型，提取患者主要骨折线，并投影至股骨曲面模型中，构建股骨骨折复位曲面模型；

步骤2：依据复位骨折线，绘制接骨板轮廓，截取骨骼模型中局部曲面，向外侧偏移，生成接骨板贴合面，所述接骨板贴合面为接骨板贴近骨骼的曲面，对个性化贴合面和实体特征进行参数，便于接骨板的编辑修改，构建层次化参数映射；将特征导出，快速生成个性化接骨板。

2.根据权利要求1所述的基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1a，导入患者骨折股骨模型，提取主要骨折线，测量有效股骨模型参数；

步骤1b，利用步骤1a中参数，构建患者股骨曲面特征模型，并将步骤1a中骨折线投影至股骨模型，复位骨折线，构建股骨骨折复位曲面模型；

步骤1c，经过骨干轴，垂直于内、外髁两点连线，创建矢状面，在矢状面中绘制个性化接骨板轮廓，将轮廓投影至步骤1b中股骨复位曲面模型，截取局部曲面，并沿矢状面方向，向外偏移1~3mm，构成接骨板贴合面。

3.根据权利要求2所述的基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2a，对步骤1c中贴合面，进行特征参数化设计，并建立步骤1a中股骨参数和贴合面参数间映射；

步骤2b，将步骤1c中贴合面，沿矢状面方向，向外不等距拉伸，生成接骨板实体，并对实体特征参数化，所述实体特征为厚度；

步骤2c，创建步骤2a中贴合面参数和步骤2b中实体参数间映射，生成个性化接骨板特征；

步骤2d，将步骤2c中个性化接骨板特征导出，构建个性化股骨接骨板。

4.根据权利要求2所述的基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤1的步骤1a中，所述有效股骨模型参数包括股骨长、头半径、头部高度。

5.根据权利要求2所述的基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤1的步骤1b中，所述构建股骨骨折复位曲面模型，参考冠状面，经过骨干轴和内、外髁两点连线的平面，将骨折线切割为前后两部分，并将两段曲线，分别沿着冠状面方向，投影至股骨曲面。

6.根据权利要求3所述的基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤2的步骤2a中，贴合面进行特征参数化，包括不同部位的宽度和长度；股骨参数和贴合面参数间映射，包括股骨长、头半径、头部高度和贴合面轮廓宽度、长度参数间的两两线性关系。

7.根据权利要求3所述的基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤2的步骤2b中，所述不等距为3种间距，由骨干向远端方向依次递减。

8.根据权利要求3所述的基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法，其特征在于，所述步骤2的步骤2c中，所述贴合面参数和实体参数间映射，为两两线性关系。