CN108392270B - 医用接骨板数字化定制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医用软件领域，涉及医用接骨板数字化定制的方法，包括：导入骨头模型；接收用户的输入在骨头模型上绘制关键点，根据关键点生成接骨板的中心线；接收用户输入的偏移值，根据关键点和偏移值生成接骨板的边界线；根据边界线确定接骨板的轮廓；接收用户在中心线上的输入选择接骨板的打孔点并配置打孔点的属性信息；生成骨头模型表面的点云；根据点云生成接骨板数字化定制文件，根据该数字化定制文件生成用于数控加工或3D打印的接骨板模型。本发明中，用户通过所见即所得的曲线编辑，能制作出自己想要的钢板轮廓，并且能根据特定的骨头模型定制出能适配该骨头大小和形状的接骨板，提高接骨板定制的效率。

Description

医用接骨板数字化定制的方法

技术领域

本发明涉及医用软件领域，特别涉及一种医用接骨板数字化定制的方法。

背景技术

医院对骨折，骨肿瘤等骨创伤患者进行治疗的过程中，常常需要进行骨科手术，植入钢板以固定骨头。医用接骨板的制作主要有两个途径：

(1)通过医疗器械厂批量生产通用型接骨板；

(2)医生掌握CAD建模软件的使用能力，通过CAD软件手动建立出与患者骨头形状和大小适配的钢板模型，然后交给数控加工厂家把钢板加工出来。

但这些方式存在如下的缺点：

(1)由于人类骨骼的形态、大小存在差异，而骨创伤的状况更是千差万别，因此医疗器械厂批量生产的通用型骨科钢板并不能很好地适配患者骨头的形状和大小。

(2)由于CAD建模软件并不专门用于接骨板定制，而适配于患者骨头的钢板形状通常较为复杂，因此使用通用CAD建模软件建立骨科钢板会非常繁琐和耗时。

发明内容

本发明的实施方式旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的实施方式需要提供一种医用接骨板数字化定制的方法。

本发明实施方式的医用接骨板数字化定制的方法，包括：

S1，导入骨头模型；

S2，接收用户的输入在骨头模型上绘制关键点，根据关键点生成接骨板的中心线；

S3，接收用户输入的偏移值，根据关键点和偏移值生成接骨板的边界线；

S4，根据边界线确定接骨板的轮廓；

S5，接收用户在中心线上的输入选择接骨板的打孔点并配置打孔点的属性信息；

S6，生成骨头模型表面的点云；

S7，根据点云生成接骨板数字化定制文件，根据该数字化定制文件生成用于数控加工或3D打印的接骨板模型。

一个实施方式中，S2包括：

接收用户的输入在骨头模型上绘制关键点；

根据关键点生成多条曲线；

将多条曲线投影到骨头模型上，生成包含多条曲线的接骨板的中心线。

一个实施方式中，S3包括：

接收用户输入的针对不同关键点的不同偏移值；

根据不同关键点和每个关键点对应的偏移值生成接骨板不同的边界线。

一个实施方式中，中心线包括至少两条曲线，则S4包括：

根据至少两条曲线中每条曲线对应的边界线共同确定接骨板的轮廓。

一个实施方式中，中心线仅由一条曲线构成，则边界线包括上、下、左、右四条边界线，S4包括：

根据上、下、左、右四条边界线确定接骨板的轮廓。

一个实施方式中，S5包括：

接收用户在中心线上的输入选择接骨板的打孔点的初始位置；

接收用户输入对打孔点的初始位置在中心线上进行调整；

将调整后打孔点的位置确定为打孔点的最终位置；

配置打孔点的属性信息。

一个实施方式中，打孔点的属性信息包括孔的大小、方向和倒角中的任意一种或几种。

一个实施方式中，S6中点云的面积与接骨板的轮廓覆盖的面积一致。

一个实施方式中，S7中生成接骨板数字化定制文件包括：生成包括关键点、边界线、打孔点、打孔点的属性信息、点云在内的接骨板数字化定制文件。

一个实施方式中，S7中根据该数字化定制文件生成用于数控加工或3D打印的接骨板模型包括通过预置的CAD插件在CAD软件中执行以下操作：

根据点云生成拟合曲线；

根据关键点生成中心线的样条曲线；

根据关键点获得边界线的样条曲线；

根据拟合曲线、中心线的样条曲线、边界线的样条曲线在骨头模型的曲面进行投影生成接骨板的轮廓线；

由接骨板的轮廓线进行预置的处理获得钢板实体模型；

根据打孔点和打孔点的属性信息对钢板实体模型调整，获得用于数控加工或3D打印的接骨板最终模型。

本发明实施方式的医用接骨板数字化定制的方法，用户通过所见即所得的曲线编辑，能制作出自己想要的钢板轮廓，并且能根据特定的骨头模型定制出能适配该骨头大小和形状的接骨板，提高接骨板定制的效率。

本发明的附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的实施方式的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式的医用接骨板数字化定制的方法的流程示意图；

图2是本发明实施方式的医用接骨板数字化定制的方法中的中心线示意图；

图3是本发明实施方式的医用接骨板数字化定制的方法中的接骨板轮廓示意图；

图4是本发明实施方式的医用接骨板数字化定制的方法中的打孔点示意图；

图5是本发明实施方式的医用接骨板数字化定制的方法中的点云示意图；

图6是本发明实施方式的医用接骨板数字化定制的方法中的钢板模型示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅可用于解释本发明的实施方式，而不能理解为对本发明的实施方式的限制。

请参阅图1，图1是本发明实施方式的医用接骨板数字化定制的方法的流程示意图。

本发明实施方式的医用接骨板数字化定制的方法，包括：

S1，导入骨头模型。

S2，接收用户的输入在骨头模型上绘制关键点，根据关键点生成接骨板的中心线。

S3，接收用户输入的偏移值，根据关键点和偏移值生成接骨板的边界线。

S4，根据边界线确定接骨板的轮廓。

S5，接收用户在中心线上的输入选择接骨板的打孔点并配置打孔点的属性信息。

S6，生成骨头模型表面的点云。

S7，根据点云生成接骨板数字化定制文件，根据该数字化定制文件生成用于数控加工或3D打印的接骨板模型。

在S1这个步骤中，医生在对医用接骨板进行定制的时候，可以先通过CT机等设备对患者进行扫描，然后获得影像文件，再基于该影像文件形成患者的骨头模型。本发明的实施方式中，医生可以通过一个医用接骨板的数字化定制软件(以下简称软件)来导入骨头模型，医生是本发明实施方式中医用接骨板的数字化定制软件的用户。

在S2这个步骤中，医生作为用户，通过鼠标、键盘等输入设备在骨头模型表面绘制关键点，软件通过射线碰撞检测技术生成关键点，然后根据关键点生成接骨板的中心线。如图2所示，标号1表示三次样条插值曲线，2为插值控制点，可以控制曲线的轨迹，3为切线控制点，可以控制曲线首尾端点的切线方向，2和3都是关键点，即根据关键点2和3生成接骨板的中心线1。在S2中，既可以鼠标、键盘来完成输入，也可以通过触摸屏触摸绘制、或者手写笔输入等方式完成关键点的绘制。曲线也可以是n次样条插值曲线、B样条曲线、NURBS曲线、Bezier曲线等通过关键点生成的曲线。

生成曲线时，具体为：对于每个曲线，先在与屏幕大小相等的空白图片上绘制该曲线，然后再利用shader(着色器)技术，把该图片投影到骨头模型表面上并与原来的骨头纹理混合，从而完成骨头模型表面上曲线的绘制。用户在绘制完关键点后，可以通过拖动关键点在屏幕上的位置，软件通过射线碰撞检测技术控制关键点沿着骨头表面移动到对应的位置，从而改变中心线的形状。

中心线，通过用户设置关键点生成或通过数据库中已经定制好的曲线导入。总的中心线可由多条子中心线连接而成。

进一步地，关键点在不进行曲线绘制、曲线编辑的时候可以隐藏，以免影响其它操作。

进一步地，S2包括以下子步骤：

接收用户的输入在骨头模型上绘制关键点。

根据关键点生成多条曲线。

将多条曲线投影到骨头模型上，生成包含多条曲线的接骨板的中心线。

即如果是绘制多条曲线，则每条曲线都对应一幅曲线图片，然后对各个曲线图片进行图像处理(例如像素叠加)，生成一幅混合曲线图，再投影到骨头模型上面，从而完成多条曲线的绘制。

在S3这个步骤中，用户输入偏移值，软件根据关键点和偏移值生成接骨板的边界线。在S2中生成了中心线，就能知道曲线上任意一点的坐标信息，通过这些信息，就能计算出中心线两侧的偏移曲线，称为边界线。用户通过文本框输入等方式实现偏移值的配置。

中心线可通过左右偏移生成新的曲线，该偏移曲线可作为左右边界线或者左右轮廓线，通过左右轮廓线的端点还能生成头尾轮廓线，以封闭整体轮廓。

进一步地，S3包括以下子步骤：

接收用户输入的针对不同关键点的不同偏移值。例如，关键点A配置了偏移值D1，关键点B配置了偏移值D2，D1和D2并不相等。

根据不同关键点和每个关键点对应的偏移值生成接骨板不同的边界线。软件根据关键点A和偏移值D1生成边界线S1，根据关键点B和偏移值D2生成边界线S2。

即用户要绘制不同的边界线时，针对不同关键点还能配置不同的偏移值，从而能生成不同的边界线。如图2所示，4、5、6、7分别为中心线的左、右、上、下边界。用户既可以对这4条边界线配置完全相同的偏移值，也可以针对不同关键点实现对每一条边界线配置一个与其他边界线不同的偏移值。

边界线的偏移值在中心线关键点上配置，中心线各个关键点上的偏移值可各不相同，因此同一中心线可生成形态各异的偏移曲线。

在S4这个步骤中，软件根据边界线确定接骨板的轮廓。如图3所示，软件生成接骨板的轮廓时，先插入一条曲线，用户移动关键点使曲线变为用户认为合适的形状，若用户认为初始插入的曲线合适也可以不移动，然后软件生成上边界。然后插入第二条曲线，移动关键点使曲线变为合适的形状，然后生成左、右、下边界，最后生成接骨板的轮廓，接骨板的轮廓包括两条曲线构成的中心线和四条边界线构成的外部轮廓，即图3部类三角形的曲线及下部延伸的直线共两条曲线构成了中心线，上、左、右、下共四个边界共同构成了外部轮廓。

进一步地，中心线包括至少两条曲线，即中心线是由多段曲线构成，每一段曲线对应着相应的边界线，只要同一条曲线的所有边界线形成封闭式图形即可，这样的话总的轮廓并不需要每条曲线都生成所有的边界。则S4包括：根据至少两条曲线中每条曲线对应的边界线共同确定接骨板的轮廓，既要考虑中心线中的每条曲线，也要考虑同一条曲线的所有边界线，还要考虑各条曲线间是否存在相同的边界线，若有共同边界则不用多次生成同一个边界线，这样减少边界线生成的工作量。

进一步地，中心线仅由一条曲线构成，则边界线包括上、下、左、右四条边界线，S4包括：根据上、下、左、右四条边界线确定接骨板的轮廓。通常上、下、左、右四条边界线可以相互连接形成一个封闭式的外部轮廓作为接骨板的整体轮廓，使得接骨板的数字化定制简单易执行。

在S5这个步骤中，用户在中心线上以鼠标、键盘等输入设备输入选择接骨板的打孔点，并通过文本框输入等方式配置打孔点的属性信息。具体地，由于每条曲线都有对应的曲线图片，因此，通过鼠标、键盘等输入设备就能通过坐标，去对比每一幅图片，在该坐标上是否有该曲线颜色的像素，若有，就能确定点击的是该曲线上的点。由于曲线的数据是已知的，从而就能重新计算出坐标在曲线上的精确点，称为中心点，还能通过输入设备拖动该中心点，使其符合理想中的位置。这些中心点可以作为接骨板的打孔点。

如图4所示，8为其中的中心点，拖动中心点的话，中心点仅会在曲线上移动，以保证中心点处于接骨板的中心位置。9、10、11、12分别表示各个曲线的边界。

进一步地，S5包括以下子步骤：

接收用户在中心线上的输入选择接骨板的打孔点的初始位置。

接收用户输入对打孔点的初始位置在中心线上进行调整。

将调整后打孔点的位置确定为打孔点的最终位置。

配置打孔点的属性信息。

即用户在中心线上的输入选择接骨板的打孔点的初始位置，在初次确定打孔点后，但可能因为误操作或者打孔点位置不够理想需要调整，则软件可以接收用户输入对打孔点的初始位置在中心线上进行调整，然后将调整后打孔点的位置确定为打孔点的最终位置。此处既可以是用户经过一次调整完成打孔点最终位置的确定，也可以是用户经过多次调整完成打孔点最终位置的确定。然后再由用户文本框输入的方式配置打孔点的属性信息。

具体地，打孔点的属性信息包括孔的大小、方向和倒角中的任意一种或几种。以倒角为例，可以选择是圆角还是斜角，圆角的话，半径是多少，斜角的话，偏置和角度分别是多少。

在S6这个步骤中，配置完成后，就要生成骨头模型表面的点云，通过接骨板轮廓的坐标信息，就能确定点云生成的范围，从而通过射线碰撞检测技术生成点云。

如图5所示，13为点云其中一个点。生成点云后，就能导出曲线的重要信息。

进一步地，S6中点云的面积与接骨板的轮廓覆盖的面积一致。点云的面积与接骨板的轮廓覆盖的面积一致使得点云仅仅覆盖钢板轮廓即可，覆盖面积太大，后面生成的曲面会不够平缓，覆盖面积太小的话，就不能把接骨板轮廓面裁剪出来。

由于对于人体各个骨头，其接骨板的形状都是有限的，因此接骨板的轮廓曲线可以先存储在数据库中，要用的时候，也不用重新绘制曲线，只要找到对应的轮廓曲线，再稍加缩放，旋转，微调即可，这样则更为方便。

在S7这个步骤中，软件根据接骨板的轮廓和点云，生成接骨板数字化定制文件，生成的接骨板数字化定制文件中包括关键点、边界线、打孔点、打孔点的属性信息、点云这些信息。然后用户在CAD软件中调用接骨板数字化定制文件，根据关键点、边界线、打孔点、打孔点的属性信息、点云生成用于数控加工或3D打印的接骨板模型。接骨板如图6所示，图6最左侧的图表示接骨板本体，图6中间和图6最右侧的图分别表示接骨板与骨头模型配合的示意图、接骨板与骨头模型配合的放大图。

由于通用CAD建模软件并不专门用于接骨板定制，而适配于患者骨头的钢板形状通常较为复杂，因此使用通用CAD建模软件建立接骨板会非常繁琐和耗时；并且不同的CAD软件的使用领域也存在差异，为了建立复杂的钢板模型，常常要使用多种CAD软件，CAD之间数据的导入导出会使得接骨板定制效率低下。

因此只要为每种特定CAD软件编写功能相同的插件，就能使得本程序能够与各种CAD软件进行数据传输。本发明实施方式中，预先设置一个CAD插件，通过对第三方CAD软件进行二次开发，就能在第三方CAD软件中读取接骨板定制界面生成的钢板信息，然后自动生成精确的钢板模型，以进行数控加工。

进一步地，可以通过预置的CAD插件在CAD软件中执行以下操作：

根据点云生成拟合曲线；

根据关键点生成中心线的样条曲线；

根据关键点获得边界线的样条曲线；

根据拟合曲线、中心线的样条曲线、边界线的样条曲线在骨头模型的曲面进行投影生成接骨板的轮廓线；

由接骨板的轮廓线进行预置的处理获得钢板实体模型；

根据打孔点和打孔点的属性信息对钢板实体模型调整，获得用于数控加工或3D打印的接骨板最终模型。

其中，关键点生成中心线的样条曲线后，通过投影曲线生成曲面上的曲线，再藉由关键点得到曲线的切向量和曲面的法向量，这两向量叉乘得到正交向量，通过正交向量生成四点平面(或过关键点，方向为该正交向量的直线)，由四点平面与曲面相交得到相交曲线(或直线投影到曲面上得到该曲线)，再以关键点为起点，精确定位到弧长为偏移值的坐标，生成边界关键点，通过边界关键点生成边界线的样条曲线。边界关键点也是关键点的一种，用于生成边界线。

根据拟合曲线、中心线的样条曲线、边界线的样条曲线在骨头模型的曲面进行投影生成接骨板的轮廓线，由接骨板的轮廓线进行预置的处理获得钢板实体模型的过程包括：通过偏移边界端点生成直线(首尾边界)，边界线对曲面进行投影生成封闭的投影曲线(即轮廓线)，由轮廓线对曲面进行修剪得到钢板曲面，再通过曲面加厚得到钢板实体模型。其中，预置的处理包括曲面修剪和曲面加厚。

根据打孔点和打孔点的属性信息对钢板实体模型调整，获得用于数控加工或3D打印的接骨板最终模型。即先通过倒角信息对钢板实体模型添加倒角特征，当然，也可以按照其他属性信息对钢板实体模型添加相应的特征，然后再通过打孔点对钢板实体模型添加孔特征。最后生成钢板最终模型，进行数控加工或3D打印。

本发明的实施方式，能根据特定的骨头模型定制出能适配该骨头大小和形状的接骨板，提高医用接骨板定制的效率。通过预先设置的接骨板数字化定制软件和CAD插件，使得设计出的钢板实体模型能被各个CAD软件所加载。本发明中接骨板的定制方式，用户通过所见即所得的曲线编辑，能制作出自己想要的接骨板轮廓。

本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理模块的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，″计算机可读介质″可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的实施方式的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明的各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种医用接骨板数字化定制的方法，其特征在于，包括：

S1，导入骨头模型；

S2，接收用户的输入在骨头模型上绘制关键点，根据关键点生成接骨板的中心线；

S3，接收用户输入的偏移值，根据关键点和偏移值生成接骨板的边界线；

S4，根据边界线确定接骨板的轮廓；

S5，接收用户在中心线上的输入选择接骨板的打孔点并配置打孔点的属性信息；

S6，生成骨头模型表面的点云；

S7，根据点云生成接骨板数字化定制文件，根据该数字化定制文件生成用于数控加工或3D打印的接骨板模型。

2.如权利要求1所述医用接骨板数字化定制的方法，其特征在于，S2包括：

接收用户的输入在骨头模型上绘制关键点；

根据关键点生成多条曲线；

将多条曲线投影到骨头模型上，生成包含多条曲线的接骨板的中心线。

3.如权利要求1所述医用接骨板数字化定制的方法，其特征在于，S3包括：

接收用户输入的针对不同关键点的不同偏移值；

根据不同关键点和每个关键点对应的偏移值生成接骨板不同的边界线。

4.如权利要求3所述医用接骨板数字化定制的方法，其特征在于，中心线包括至少两条曲线，则S4包括：

根据至少两条曲线中每条曲线对应的边界线共同确定接骨板的轮廓。

5.如权利要求3所述医用接骨板数字化定制的方法，其特征在于，中心线仅由一条曲线构成，则边界线包括上、下、左、右四条边界线，S4包括：

根据上、下、左、右四条边界线确定接骨板的轮廓。

6.如权利要求1所述医用接骨板数字化定制的方法，其特征在于，S5包括：

接收用户在中心线上的输入选择接骨板的打孔点的初始位置；

接收用户输入对打孔点的初始位置在中心线上进行调整；

将调整后打孔点的位置确定为打孔点的最终位置；

配置打孔点的属性信息。

7.如权利要求1所述医用接骨板数字化定制的方法，其特征在于，打孔点的属性信息包括孔的大小、方向和倒角中的任意一种或几种。

8.如权利要求1所述医用接骨板数字化定制的方法，其特征在于，S6中点云的面积与接骨板的轮廓覆盖的面积一致。

9.如权利要求1所述医用接骨板数字化定制的方法，其特征在于，S7中生成接骨板数字化定制文件包括：生成包括关键点、边界线、打孔点、打孔点的属性信息、点云在内的接骨板数字化定制文件。

10.如权利要求9所述医用接骨板数字化定制的方法，其特征在于，S7中根据该数字化定制文件生成用于数控加工或3D打印的接骨板模型包括通过预置的CAD插件在CAD软件中执行以下操作：

根据点云生成拟合曲线；

根据关键点生成中心线的样条曲线；

根据关键点获得边界线的样条曲线；

根据拟合曲线、中心线的样条曲线、边界线的样条曲线在骨头模型的曲面进行投影生成接骨板的轮廓线；

由接骨板的轮廓线进行预置的处理获得钢板实体模型；

根据打孔点和打孔点的属性信息对钢板实体模型调整，获得用于数控加工或3D打印的接骨板最终模型。