CN112618111A - 基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，包括如下步骤：步骤一：构建股骨柄假体主脉；步骤二：在股骨柄假体主脉的基础上构建股骨柄假体侧脉；步骤三：在股骨柄假体主脉和股骨柄假体侧脉的基础上构建股骨柄假体细脉。本发明将股骨柄假体设计成叶脉骨架结构，并采用流水化方法生成一系列股骨柄假体边界轮廓关键点，进而使得构建出的股骨柄假体边界与股骨髓腔有较大的贴合性，同时叶脉骨架结构方便了股骨柄假体尺寸和形状的修改，该方法具简单、灵活、高效等特点，为骨柄假体设计提供了新方法，对提高髋关节假体设计质量和效率具有重要意义。

Description

基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，属于计算机辅助分析技术领域。
背景技术
随着我国社会经济的发展和人民生活水平的提高，接受人工髋关节置换手术的患者越来越多。人工髋关节假体主要根据人体髋关节结构仿制而成，通过将假体的柄部插入到患者的股骨髓腔内，利用头部与关节臼或假体金属杯之间形成旋转，从而达到缓解疼痛、恢复关节活动度和改善功能的目的。研究表明，股骨柄假体(特别是近端1/3)与股骨髓腔的良好匹配、充分密合有利于降低峡部的剪切力，增加股骨近端表面的垂直压力，从而有效避免植入物早期松动、减少术后后遗症和延长其使用寿命。可见，提高股骨柄假体与髓腔的良好匹配是目前关节外科中一项非常重要的临床问题。为此，股骨柄假体的设计应尽可能满足所有人群的要求。然而，人工股骨柄假体多参考正常人的股骨形态参数所设计，常常忽略对年龄及疾病等生理、病例因素所造成的股骨髓腔形态改变。且正常人的国人股骨髓腔特征变化也较大，因此，现有股骨柄假体的形状和尺寸无法100％覆盖所有可人群。本发明给出面向一种基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，通过由远及近获取股骨柄假体边界轮廓关键点，拟合生成边界轮廓线。通过构建叶脉骨架结构，方便股骨柄假体尺寸和形状的快速修改。该方法具简单、灵活、高效等特点，为股骨柄假体设计提供了新方法，对提高股骨柄假体与股骨髓腔的匹配性有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，如何提高股骨柄假体与股骨髓腔的良好匹配，为此本发明提出一种基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，通过依次构建主脉、侧脉和细脉，构建股骨柄假体冠状面骨架结构。该方法具有简单、灵活、高效等特点，并且方便股骨柄假体尺寸和形状的快速修改，为股骨柄假体设计提供了新方法，进而为提高髋关节置换术提供了基础。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，包括如下步骤：
步骤一：构建股骨柄假体主脉；
步骤二：在股骨柄假体主脉的基础上构建股骨柄假体侧脉；
步骤三：在股骨柄假体主脉和股骨柄假体侧脉的基础上构建股骨柄假体细脉。
步骤一包括：
步骤1a：求横切面髓腔中心点；从小转子上20mm处开始，到股骨髓腔峡部，选取一系列关键位置，求得横切面髓腔中心点；所述关键位置，指的是，处于所选取的CT图上的股骨横断面位置；
步骤1b：构建股骨髓腔中心线；将步骤1a中髓腔中心点采用插值方法生成股骨髓腔中心线；
步骤1c：构建股骨柄假体主脉；所述股骨柄假体主脉指的是股骨髓腔中心线在冠状面的投影线。
所述股骨髓腔中心线指的是，从股骨近端到远端的，由所述横切面髓腔中心点插值而来的曲线。
步骤二包括：
步骤2a：计算第i关键位置处的股骨柄假体主脉的垂直面，记为垂直面i，计算第i+1关键位置处的垂直面，记为垂直面i+1；
步骤2b：计算垂直面i与第i关键位置的横切面i的夹角，记为β；
步骤2c：根据所选取的CT图，按照经验确定股骨柄假体侧脉与垂直面i的夹角，记为α，并计算股骨柄假体侧脉与垂直面i+1的交点，即为股骨柄假体侧脉的终点；该交点即为股骨柄假体边界轮廓关键点i；全部所述股骨柄假体边界轮廓关键点i构成股骨柄假体边界轮廓。
所述股骨柄假体边界轮廓关键点包括外侧边界轮廓关键点和内侧边界轮廓关键点。
所述股骨柄假体边界轮廓关键点的构建通过流水线技术实现；所述流水线技术指的是，将重复计算股骨柄假体边界轮廓关键点的时序过程，分解成若干个子过程，每个子过程都在其专用功能段上与其他的子过程同时进行。
所述功能段包括3段，分别为：第1段S1，即步骤2a；第2段S2，即步骤2b；第3段S3，即步骤2c。
所述股骨柄假体细脉指的是，股骨柄假体边界轮廓关键点i到与其相对应的股骨柄假体侧脉的垂线。
本发明的有益效果是，将股骨柄假体设计成叶脉骨架结构，并采用流水化方法生成一系列股骨柄假体边界轮廓关键点，进而使得构建出的股骨柄假体边界与股骨髓腔有较大的的贴合性，同时叶脉骨架结构方便了股骨柄假体尺寸和形状的修改，经反复修正后，对提高股骨柄假体与股骨髓腔的匹配性有重要意义，该方法具简单、灵活、高效等特点，为骨柄假体设计提供了新方法，对提高髋关节假体设计质量和效率具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是股骨各关键位置处髓腔横切面及其中心点示意图；
图3是股骨髓腔中心线示意图；
图4是股骨柄假体的叶脉骨架结构示意图；
图5是基于叶脉骨架结构的股骨柄冠状面设计示意图；
图6是股骨柄假体边界轮廓关键点的流水线实现示意图；
图7是图5对应的完成计算n个关键点的时空图；
图8第i关键位置处的冠状面内外径示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，包括如下步骤：
步骤一：构建股骨柄假体主脉；
所述股骨柄假体主脉为股骨髓腔中心线在冠状面上的的投影线；所述股骨髓腔中心线指的是，从股骨近端到远端的，由股骨髓腔关键横切面中心点(如图2所示)插值而来的曲线。
步骤如下：
步骤1a：求横切面髓腔中心点；从小转子上20mm处开始，到股骨髓腔峡部，选取一系列关键位置，求得横切面髓腔中心点；所述关键位置，指的是，处于所选取的CT图上的股骨横断面位置；
步骤1b：构建股骨髓腔中心线；将一系列髓腔中心点采用插值方法生成股骨髓腔中心线(如图3所示)；
步骤1c：构建主脉。所述主脉指的是股骨髓腔中心线在冠状面的投影线，如图4所示的曲线O1On；
步骤二：构建股骨柄假体侧脉；所述侧脉指的是第i关键位置处髓腔中心点为起点，沿着一定的角度，且长度为固定值的线段。
如图5所示，Oi-1A，Oi-1B，OiC，OiD，Oi+1E，和Oi+1F均为侧脉。
如，侧脉OiC，指的是，以髓腔中心点Oi为起点，沿着与垂直面i成α角的方向，且长度为h/sinα的线段。
侧脉的起点为第i关键位置处髓腔中心点，终点为第i+1关键位置处股骨柄假体边界轮廓关键点。所述股骨柄假体边界轮廓关键点包括外侧边界轮廓关键点和内侧边界轮廓关键点。
如图5所示，A、C和E属于外侧边界轮廓关键点；B、D和F属于内侧边界轮廓关键点。如，侧脉OiC的终点C为第i+1关键位置处的外侧轮廓关键点，其中，h为主脉上升的长度。同样地，第i+2关键位置处，外侧轮廓关键点E可以采用同样的方法获得，以此类推。
侧脉的构建过程实质也是股骨柄假体边界轮廓关键点的构建过程，步骤如下：
步骤2a：计算当前关键位置处的垂直面；
步骤2b：计算垂直面与横切面的夹角；
步骤2c：确定侧脉与垂直面的夹角，并计算侧脉的终点；
所述侧脉与垂直面的夹角通常为经验值，可以根据实际临床需求确定，以满足不同形状股骨柄的设计需求。
步骤二股骨柄假体边界轮廓关键点的构建可以通过流水线技术实现，进而提高获取效率。所述流水线技术指的是，将重复的计算股骨柄假体边界轮廓关键点的时序过程，分解成若干个子过程，每个子过程都可以有效地在其专用功能段上与其他的子过程同时进行。
如图6所示，所述流水线功能段包括3段，分别为：第1段S1，计算当前关键位置处的垂直面；第2段S2，计算垂直面与横切面的夹角；第3段S3，确定侧脉与垂直面的夹角，并计算侧脉的终点。
如图7所示为步骤二进行流水化之后的时空图。
步骤三：构建股骨柄假体细脉。所述细脉指的是，当前关键位置处的外侧轮廓关键点到侧脉的垂线。如图4所示，AGi，CGi+1，BHi，BHi+1均为细脉。AGi长度为Ri.sinα/cosβ。其中，Ri为第i关键位处的冠状面内外径的一半(如图8所示)，β为第i关键位处横切面与主脉的垂面的夹角。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组间可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组间组合成一个模块或单元或组间，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组间。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：构建股骨柄假体主脉；
步骤二：在股骨柄假体主脉的基础上构建股骨柄假体侧脉；
步骤三：在股骨柄假体主脉和股骨柄假体侧脉的基础上构建股骨柄假体细脉。
2.根据权利要求1所述的基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，其特征是，步骤一包括：
步骤1a：求横切面髓腔中心点；从小转子上20mm处开始，到股骨髓腔峡部，选取一系列关键位置，求得横切面髓腔中心点；所述关键位置，指的是，处于所选取的CT图上的股骨横断面位置；
步骤1b：构建股骨髓腔中心线；将步骤1a中髓腔中心点采用插值方法生成股骨髓腔中心线；
步骤1c：构建股骨柄假体主脉；所述股骨柄假体主脉指的是股骨髓腔中心线在冠状面的投影线。
3.根据权利要求2所述的基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，其特征是，所述股骨髓腔中心线指的是，从股骨近端到远端的，由所述横切面髓腔中心点插值而来的曲线。
4.根据权利要求2所述的基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，其特征是，步骤二包括：
步骤2a：计算第i关键位置处的股骨柄假体主脉的垂直面，记为垂直面i，计算第i+1关键位置处的垂直面，记为垂直面i+1；
步骤2b：计算垂直面i与第i关键位置的横切面i的夹角，记为β；
步骤2c：根据所选取的CT图，按照经验确定股骨柄假体侧脉与垂直面i的夹角，记为α，并计算股骨柄假体侧脉与垂直面i+1的交点，即为股骨柄假体侧脉的终点；该交点即为股骨柄假体边界轮廓关键点i；全部所述股骨柄假体边界轮廓关键点i构成股骨柄假体边界轮廓。
5.根据权利要求4所述的基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，其特征是，所述股骨柄假体边界轮廓关键点包括外侧边界轮廓关键点和内侧边界轮廓关键点。
6.根据权利要求5所述的基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，其特征是，所述股骨柄假体边界轮廓关键点的构建通过流水线技术实现；所述流水线技术指的是，将重复计算股骨柄假体边界轮廓关键点的时序过程，分解成若干个子过程，每个子过程都在其专用功能段上与其他的子过程同时进行。
7.根据权利要求6所述的基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，其特征是，所述功能段包括3段，分别为：第1段S1，即步骤2a；第2段S2，即步骤2b；第3段S3，即步骤2c。
8.根据权利要求4所述的基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法，其特征是，所述股骨柄假体细脉指的是，股骨柄假体边界轮廓关键点i到与其相对应的股骨柄假体侧脉的垂线。
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岑海堂等: "小型翼结构仿生设计与试验分析", 《机械工程学报》 *

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CN112618111B (zh) 2021-09-21

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