CN105427367B - 基于参数化技术的胫骨t型接骨板的多样化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法，包括如下步骤：步骤一：T型接骨板的构建，利用边界线绘制T型接骨板边界，通过构建内部约束线对该区域进行曲面重构；步骤二：T型接骨板形状结构特点与参数化的建立，在重构的曲面区域上通过特征点以及特征线的定义，达到特征和相关参数的设置；步骤三：T型接骨板多样化设计，利用步骤一重构的曲面构建T型接骨板实体，并建立面参数和实体厚度参数间的映射关系，以便于后期的快速编辑修改实现多样化设计。本发明能够通过接骨板的参数化定义，实现接骨板设计的数字化、多样化和精确化，对提高接骨板设计的质量和效率具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字骨科植入物设计技术，具体涉及一种基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法，本发明属于计算机辅助设计领域。
背景技术
随着计算机数字化时代的到来，数字骨科问题越来越突出。人工进行骨科植入物历经一个多世纪的发展，已经成为治疗骨骼严重受损的必要手段。最常见的骨科植入物有：接骨板、髓内钉、钢针等，其中接骨板的设计是植入物设计的核心。然而目前设计植入物的方法是以骨头三维网格模型作为基础直接通过现有商业CAD软件和大量的人机交互进行设计实现。本方法需要消耗大量的人力物力，结果却是不能令人满意以及不准确的。同样对于医生来说，在手术过程中需要人为地依托临床经验不断地将接骨板进行适量的弯曲改变，可以说这样设计出来的接骨板给医生以及患者之间带来了极大的不便。
考虑到相同类型板具有类似的结构，并进行参数作为特征最适合的，我们提出了一种用于针对一般使用的功能快速设计接骨板的想法。通过构建接骨板内外表面，其中内表面曲面能够通过调整内部约束线能与目标曲面达到曲面误差精度，而再通过可变外表面参数构建植入物实体特征，支持用户通过少量语义参数在曲面特征和实体特征层中快速编辑修改植入物形状，有效解决了植入物设计的多样性问题，可避免反复塑形对接骨板强度的影响，降低试模过程中对周围软组织的损伤，避免骨折复位丢失，减少患者痛苦的同时提高治疗的效果和效率。本发明提出将曲面特征技术和参数化融入到接骨板设计中，研究基于特征和参数化的T型接骨板设计方法。本发明以提高接骨板精确化、快速设计以及接骨板多样化为目的，对提高接骨板设计质量和效率有重要意义。
发明内容
本发明提出一种基于特征的思想设计T型接骨板，为接骨板设计,尤其是其个性化以及多样化设计,提供一定的理论基础，从而缩短接骨板设计周期，提高设计效率。 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法，包括如下步骤：
步骤一：T型接骨板的构建，利用边界线绘制T型接骨板边界，通过构建内部约束线对该区域进行曲面重构；
步骤二：T型接骨板形状结构特点与参数化的建立，在重构的曲面区域上通过特征点以及特征线的定义，达到特征和相关参数的设置；
步骤三：T型接骨板多样化设计，利用步骤一重构的曲面构建T型接骨板实体，并建立面参数和实体厚度参数间的映射关系，以便于后期的快速编辑修改实现多样化设计。
前述的步骤一包括：
步骤1a：结合医学经验，绘制T型接骨板的轮廓线，形成一个T型封闭区域，使得封闭区域符合外科手术的需求；
步骤1b：对步骤1a中选定的T型轮廓区域进行曲面重构，通过内部约束线的调整以及轮廓线相结合，采用蒙皮、覆盖的方式重构一个新的独立的T型自由曲面，使其与选绘制的形状一致。
前述的步骤二包括：
步骤2a：T型接骨板特征的曲面特征参数定义，通过曲面上特征点、特征线的选定，将胫骨曲面特征通过特征参数修改全局特征，特征线参数修改局部特征，曲面上的特征点修改细节特征；
步骤2b：对步骤2a中曲面特征参数设定的基础上，重构一个新的、独立的T型接骨板上表面曲线，能够通过特征点、特征线，实现参数改变曲面形状。
前述的步骤三包括：
步骤3a：曲面特征生成后，通过两个重构面的平移、填充、修改生成实体，设置接骨板实体特征参数，通过改变上表面的特征参数实现不同关键位置处接骨板厚度的变化；
步骤3b：建立曲面特征参数与接骨板实体特征的厚度参数间的映射关系，将特征参数分为高层参数、中间层参数和底层参数，建立从底层的T型接骨板曲面特征点到高层参数描述T型接骨板实体特征形状的编辑结构，将中间层参数作为桥梁，实现高层参数与中间层参数、中间层参数与底层参数间的两级映射；
步骤3c：根据步骤3b中映射关系，通过建立的高层参数的变化与其下层参数相互影响，实现接骨板多样化产品的设计。
前述的步骤1a中，所述T型接骨板在骨骼受损时被医生大量的采用。设计过程中，先绘制T型接骨板的轮廓线，再通过内部约束线重构该轮廓线的自由曲面。同时通过调节内部约束线，从而实现接骨板使用时与骨膜的接触面积少，有利于骨骼的愈合。
前述的步骤2a中，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。局部特征参数层用特征线表示，用于描述局部区域是否达到要求精度，如局部区域的弯曲度、曲率等。细节特征层用特征点描述曲面形状的细节，具有一定语义，如形状的长、宽、角度等。
前述的步骤3c中，所述高层参数与其下层参数相互影响，指的是建立从底层的接骨板曲面特征到高层的接骨板特征形状的参数关系，支持在该接骨板各处设置的宽度、长度、角度、厚度的参数切支持参数修改。所述接骨板实体参数指描述接骨板实体各处宽度、长度、各处厚度的参数，它用于表示接骨板能快速生成适用于不同需求多样化的产品。
本发明的有益之处在于：本发明的一种基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法用于医学骨科植入物设计制造领域，能够提高骨科植入物的设计效率和精度，可避免反复塑形对接骨板强度的影响，降低试模过程中对周围软组织的损伤，避免骨折复位丢失，减少患者痛苦的同时提高治疗的效果和效率。对模拟手术和提高手术效果具有重要意义。
附图说明
图1是本发明中基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法流程；
图2是接骨板特征的分层参数示意图；
图3是调整植入物贴合面参数示意图一；
图4是调整植入物贴合面参数示意图二；
图5是调整植入物贴合面参数示意图三；
图6是调整植入物贴合面参数示意图四；
图7是调整植入物贴合面参数示意图五；
图8是植入物实体的生成过程图；
图9是实体特征的参数化示意图一；
图10是实体特征的参数化示意图二；
图11是实体特征的参数化示意图三；
图12是实体特征的参数化示意图四。
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，一种基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法，包括如下步骤：
步骤一：T型接骨板的构建，利用边界线绘制T型接骨板边界，通过构建内部约束线对该区域进行曲面重构；
步骤二：T型接骨板形状结构特点与参数化的建立，在重构的曲面区域上通过特征点以及特征线的定义，达到特征和相关参数的设置；
步骤三：T型接骨板多样化设计，利用步骤一重构的曲面构建T型接骨板实体，并建立面参数和实体厚度参数间的映射关系，以便于后期的快速编辑修改实现多样化设计。
前述的步骤一包括：
步骤1a：结合医学经验，绘制T型接骨板的轮廓线，形成一个T型封闭区域，使得封闭区域符合外科手术的需求；
步骤1b：对步骤1a中选定的T型轮廓区域进行曲面重构，通过内部约束线的调整以及轮廓线相结合，采用蒙皮、覆盖的方式重构一个新的独立的T型自由曲面，使其与选绘制的形状一致。
前述的步骤二包括：
步骤2a：T型接骨板特征的曲面特征参数定义，通过曲面上特征点、特征线的选定，将胫骨曲面特征通过特征参数修改全局特征，特征线参数修改局部特征，曲面上的特征点修改细节特征。如设置曲面参数通过角度的参数，以及长宽度的参数，实现参数修改曲面形状；
步骤2b：对步骤2a中曲面特征参数设定的基础上，重构一个新的、独立的T型接骨板上表面曲线，能够通过特征点、特征线，实现参数改变曲面形状。
前述步骤三包括：
步骤3a：曲面特征生成后，通过两个重构面的平移、填充、修改生成实体，设置接骨板实体特征参数，通过改变上表面的特征参数实现不同关键位置处接骨板的厚度变化；
步骤3b：建立曲面特征参数与接骨板实体特征的厚度参数间的映射关系，将特征参数分为高层参数、中间层参数和底层参数，建立从底层的T型接骨板曲面特征点到高层参数描述T型接骨板实体特征形状的编辑结构，将中间层参数作为桥梁，实现高层参数与中间层参数、中间层参数与底层参数间的两级映射。
步骤3c：根据步骤3b中映射关系，通过建立的高层参数的变化与其下层参数相互影响，实现接骨板多样化产品的设计。参照图2所示，曲面特征参数和实体特征参数影响植入物实体，生成一个新的实体特征。若定义映射关系为μ，曲面特征参数为Pi，实体特征参数为Qi，植入物实体特征为Si，则可表示为：μ( Pi, Qi, S0)=S1。与此同时，参照图3-图7所示，通过调整映射关系μ、实体参数Pi，可生成多样化的接骨板。
前述的步骤1a中，所述T型接骨板在骨骼受损时被医生大量的采用。参照图8所示，设计过程中，先绘制T型接骨板的轮廓线，再通过内部约束线重构该轮廓线的自由曲面。同时通过调节内部约束线，从而实现接骨板使用时与骨膜的接触面积少，有利于骨骼的愈合。
前述的步骤2a中，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。局部特征参数层用特征线表示，用于描述局部区域是否达到要求精度，如局部区域的弯曲度、曲率等。细节特征层用特征点描述曲面形状的细节，具有一定语义，如形状的长、宽、角度等。参照图3-图7所示，为重构的接骨板贴合面的参数化，提取曲面特征线包括轮廓线C ，对曲面特征参数化，Pi = {L1，L2，W，W1，W2，α，T}，其中：L1、L2、T为长度， W、W1、W2为宽度，α为角度。
前述的步骤3c中，所述高层参数与其下层参数相互影响，指的是建立从底层的接骨板曲面特征到高层的接骨板特征形状的参数关系，支持在该接骨板各处设置的宽度、长度、角度、厚度的参数切支持参数修改。对接骨板实体参数化，Qi = {Pi，H1，H2，H3 }，其中：Pi为曲面特征， H1、H2、H3为区域厚度；如图9-图12为接骨板实体特征的参数化示意图。
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参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法。首先，利用边界线绘制T型接骨板边界，通过构建内部约束线对该区域进行曲面重构；然后，在重构的曲面区域上通过特征点以及特征线的定义，达到特征和相关参数的设置，生成曲面特征；最后，利用生成的曲面基础上构建实体，并建立曲面特征与接骨板实体特征参数间的映射关系，以便于后期能够迅速进行多样化设计。本发明不仅支持曲面特征的编辑修改，同时支持接骨板实体的参数修改，应用于骨科植入物计算机辅助手术，对有效提高接骨板设计质量和效率有重要作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：T型接骨板的构建，利用边界线绘制T型接骨板边界，通过构建内部约束线对区域进行曲面重构，所述区域为T型接骨板边界内的区域；
步骤二：T型接骨板形状结构特点与参数化的建立，在重构的曲面区域上通过特征点以及特征线的定义，达到特征和相关参数的设置；
步骤三：T型接骨板多样化设计，利用步骤一重构的曲面构建T型接骨板实体，并建立面参数和实体厚度参数间的映射关系，以便于后期的快速编辑修改实现多样化设计；
步骤3a：曲面特征生成后，通过两个重构面的平移、填充、修改生成实体，设置接骨板实体特征参数，通过改变上表面的特征参数达到不同关键位置处接骨板厚度的变化;
步骤3b：建立曲面特征参数与接骨板实体特征的厚度参数间的映射关系，将特征参数分为高层参数、中间层参数和底层参数，建立从底层的T型接骨板曲面特征点到高层参数描述T型接骨板实体特征形状的编辑结构，将中间层参数作为桥梁，实现高层参数与中间层参数、中间层参数与底层参数间的两级映射；
步骤3c：根据步骤3b中映射关系，通过建立的高层参数的变化与其下层参数相互影响，实现接骨板多样化产品的设计。
2.根据权利要求1所述的基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法，其特征在于，所述步骤一包括：
步骤1a：结合医学经验，绘制T型接骨板的轮廓线，形成一个T型封闭区域，使得封闭区域符合外科手术的需求；
步骤1b：对步骤1a中选定的T型轮廓区域进行曲面重构，通过内部约束线的调整以及轮廓线相结合，采用蒙皮、覆盖的方式重构一个新的独立的T型自由曲面，使其与选绘制的形状一致。
3.根据权利要求2所述的基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法，其特征在于，所述步骤二包括：
步骤2a：T型接骨板特征的曲面特征参数定义，通过曲面上特征点、特征线的选定，将胫骨曲面特征通过特征参数修改全局特征，特征线参数修改局部特征，曲面上的特征点修改细节特征；
步骤2b：对步骤2a中曲面特征参数设定的基础上，重构一个新的、独立的T型接骨板上表面曲线，能够通过特征点、特征线，实现参数改变曲面形状。
4.根据权利要求2所述的基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法，其特征在于，步骤1a中，所述绘制T型接骨板的轮廓线的方法为：先绘制T型接骨板的轮廓线，再通过内部约束线重构该轮廓线的自由曲面，同时通过调节内部约束线，从而实现接骨板使用时与骨膜的接触面积少，有利于骨骼的愈合。
5.根据权利要求3所述的基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法，其特征在于，步骤2a中，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。
6.根据权利要求1所述的基于参数化技术的胫骨T型接骨板的多样化设计方法，其特征在于步骤3c中，所述高层参数与其下层参数相互影响，指的是建立从底层的接骨板曲面特征到高层的接骨板实体特征形状的参数关系，支持在该接骨板各处设置的宽度、长度、角度、厚度的参数切支持参数修改，所述接骨板实体参数指描述接骨板实体各处宽度、长度、各处厚度的参数，它用于表示接骨板能快速生成适用于不同需求多样化的产品。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180807 |