CN114366396A - 基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法和应用 - Google Patents

基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114366396A
CN114366396A CN202111568948.3A CN202111568948A CN114366396A CN 114366396 A CN114366396 A CN 114366396A CN 202111568948 A CN202111568948 A CN 202111568948A CN 114366396 A CN114366396 A CN 114366396A
Authority
CN
China
Prior art keywords
phalanx
bionic
point
level
joint
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111568948.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114366396B (zh
Inventor
王淋
梁恒祥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xuzhou Medical University
Original Assignee
Xuzhou Medical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xuzhou Medical University filed Critical Xuzhou Medical University
Priority to CN202111568948.3A priority Critical patent/CN114366396B/zh
Publication of CN114366396A publication Critical patent/CN114366396A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114366396B publication Critical patent/CN114366396B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/38—Joints for elbows or knees
    • A61F2/3836—Special connection between upper and lower leg, e.g. constrained
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/38—Joints for elbows or knees
    • A61F2/3859—Femoral components
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/38—Joints for elbows or knees
    • A61F2/3877—Patellae or trochleae
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2/30942—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2002/30001—Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
    • A61F2002/30316—The prosthesis having different structural features at different locations within the same prosthesis; Connections between prosthetic parts; Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for
    • A61F2002/30329—Connections or couplings between prosthetic parts, e.g. between modular parts; Connecting elements
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2002/30001—Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
    • A61F2002/30316—The prosthesis having different structural features at different locations within the same prosthesis; Connections between prosthetic parts; Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for
    • A61F2002/30329—Connections or couplings between prosthetic parts, e.g. between modular parts; Connecting elements
    • A61F2002/30476—Connections or couplings between prosthetic parts, e.g. between modular parts; Connecting elements locked by an additional locking mechanism
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2002/30001—Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
    • A61F2002/30316—The prosthesis having different structural features at different locations within the same prosthesis; Connections between prosthetic parts; Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for
    • A61F2002/30535—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2/30942—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques
    • A61F2002/30948—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques using computerized tomography, i.e. CT scans

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

本发明公开了基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，包括如下步骤：步骤一：构建仿生手指轮廓线；步骤二：构建仿生手掌面；步骤三：构建股骨髁假体贴合掌面。本发明还公开了基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法在膝关节置换手术中的应用。本发明通过设置关键关节点构建仿生手指结构，设置与人体股骨髁相符合的股骨髁假体贴合面曲面，通过调节掌面弯曲参数、掌面尺寸参数修改仿生手掌面，并基于股骨髁外侧轮廓线得到股骨髁贴合掌面。该方法具有简单、灵活、高效等特点，仿生手结构贴合掌面与股骨髁贴合度好，使得膝关节弯曲度高，灵活性好。

Description

基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法和应用
技术领域
本发明涉及一种基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法和应用，属于计算机辅助分析技术领域。
背景技术
股骨髁假体是膝关节假体的重要组成部分。股骨髁假体设计是医疗器械领域的关键技术，对膝关节置换手术治疗效果有至关重要作用。通常，我们把股骨髁假体表面中替代原生股骨髁的一侧为贴合面。股骨髁假体贴合面与原生股骨髁的匹配程度越高，越有利于康复，进而减少术后假体松动、血供不佳等问题。可见，股骨髁假体贴合面的设计至关重要。目前，股骨髁假体设计多采用计算机辅助设计技术。然而，人体股骨髁形态存在较大的个体差异，现有设计方法存在通用性差、贴合度低等问题。
手为人体非常重要的器官，其特殊的结构能帮助人完成稳固、抓取等各式各样复杂和灵巧的作业。受到人体手结构的启发，本发明给出基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，通过设置关键关节点构建仿生手指结构，设置与人体股骨髁相符合的股骨髁假体贴合掌面，掌面弯曲度参数、掌面尺寸参数修改仿生手掌面，并基于股骨髁外侧轮廓线得到股骨髁贴合掌面。该方法具有简单、灵活、高效等特点，仿生手结构贴合面与股骨髁贴合度好，使得膝关节弯曲度高，灵活性好。同时，仿生手结构贴合掌面像手掌一样托举着股骨髁，可以取得更好的抓取效果，进而有效避免术后假体松动等问题。本发明为股骨髁假体设计提供了新方法，对提高膝关节置换手术治疗效果有重要意义和价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，如何提高股骨髁假体贴合面与原生股骨髁的匹配度，为此本发明提出基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，通过构建内侧手仿生结构和外侧手仿生结构，设置掌面尺寸参数和弯曲参数，构建与原生股骨髁高度匹配的股骨髁假体贴合面。该方法具有简单、灵活、高效等特点，为股骨髁假体设计提供了新方法，进而为提高膝关节置换术提供了基础。
同时，本发明提供了基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法在膝关节置换手术中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，包括如下步骤：
步骤一：构建仿生手指轮廓线；
步骤二：构建仿生手掌面；
步骤三：构建股骨髁假体贴合掌面。
步骤一中，仿生手包括内侧仿生手和外侧仿生手，均由4条手指轮廓线构成；
内侧仿生手，由内向外，手指轮廓线依次为：食指轮廓线i＝1、中指轮廓线i＝2、无名指轮廓线i＝3和小拇指轮廓线i＝4；
内侧仿生手的每条手指轮廓线均是由起点Ai、一级关节点Pi1、二级关节点Pi2、三级关节点Pi3和末点Bi构成的指骨线构建而成；
所述指骨线包括：
一级指骨AiPi1：对应籽骨，为起点Ai和一级关节点Pi1之间的线段；
二级指骨Pi1Pi2：对应近节指骨，为一级关节点Pi1和二级关节点Pi2之间的线段；
三级指骨Pi2Pi3：对应中节指骨，为二级关节点Pi2和三级关节点Pi3之间的线段；
四级指骨Pi3Bi：对应远节指骨，为三级关节点Pi3和末点Bi之间的线段；
一级关节点Pi1与股骨内侧髁最高点Mhigh处于同一高度，且沿着冠状轴负方向延伸，一级关节点Pi1距离Mmedial的距离为
Figure BDA0003422870290000021
其中，Mmedial为股骨内侧髁最内侧点，Mlateral为股骨内侧髁最外侧点；
二级关节点Pi2与股骨内侧髁最内侧点Mmedial处于同一高度，且沿着冠状轴负方向延伸，二级关节点Pi2距离Mmedial的距离为
Figure BDA0003422870290000031
三级关节点Pi3与股骨内侧髁最低点Mlow处于同一高度，且沿着冠状轴负方向延伸，三级关节点Pi3距离Mmedial的距离为
Figure BDA0003422870290000032
起点Ai和末点Bi的位置选取依据骨科医生手术中截骨深度d，满足：
Figure BDA0003422870290000033
同理，外侧仿生手，由外向内，手指轮廓线依次为：食指轮廓线j＝1、中指轮廓线j＝2、无名指轮廓线j＝3和小拇指轮廓线j＝4；
外侧仿生手的每条手指轮廓线均是由起点Cj、一级关节点Qj1、二级关节点Qj2、三级关节点Qj3和末点Dj构成的指骨线构建而成；
所述指骨线包括：
一级指骨Cj Qj1：对应籽骨，为起点Cj和一级关节点Qj1之间的线段；
二级指骨Qj1Qj2：对应近节指骨，为一级关节点Qj1和二级关节点Qj2之间的线段；
三级指骨Qj2Qj3：对应中节指骨，为二级关节点Qj2和三级关节点Qj3之间的线段；
四级指骨Qj3Dj：对应远节指骨，为三级关节点Qj3和末点Dj之间的线段；
一级关节点Qj1与股骨外侧髁最高点Lhigh处于同一高度，且沿着冠状轴正方向延伸，一级关节点Qj1距离Llateral的距离为
Figure BDA0003422870290000034
其中，Lmedial为股骨外侧髁最内侧点，Llateral为股骨外侧髁最外侧点；
二级关节点Qi2与股骨外侧髁最外侧点Llateral处于同一高度，且沿着冠状轴正方向延伸，二级关节点Qi2距离Llateral的距离为
Figure BDA0003422870290000041
三级关节点Qj3与股骨外侧髁最低点Llow处于同一高度，且沿着冠状轴正方向延伸，三级关节点Qj3距离Llateral的距离为
Figure BDA0003422870290000042
起点Cj和末点Dj的位置选取依据d决定，满足：
Figure BDA0003422870290000043
步骤二中，仿生手掌面包括仿生手内侧掌面和仿生手外侧掌面，是根据仿生手指轮廓线通过扫掠构建而来的面。
步骤二包括：
步骤2a：配置仿生手掌面弯曲参数；
步骤2b：配置仿生手掌面尺寸参数。
步骤2a中，对内侧仿生手设置关节弯曲角，包括：
一级关节弯曲角αi1：一级指骨AiPi1和二级指骨Pi1Pi2之间的角度；
二级关节弯曲角αi2：二级指骨Pi1Pi2和三级指骨Pi2Pi3之间的角度；
三级关节弯曲角αi3：三级指骨Pi2Pi3和四级指骨Pi3Bi之间的角度；
Figure BDA0003422870290000044
对外侧仿生手设置关节弯曲角，包括：
一级关节弯曲角βj1：一级指骨Cj Qj1和二级指骨Qj1Qj2之间的角度；
二级关节弯曲角βj2：二级指骨Qj1Qj2和三级指骨Qj2Qj3之间的角度；
三级关节弯曲角βj3：三级指骨Qj2Qj3和四级指骨Qj3Dj之间的角度；
Figure BDA0003422870290000051
步骤2b中，仿生手掌面尺寸参数包括仿生手掌面长度参数和仿生手掌面宽度参数；
仿生手掌面长度参数包括：
针对内侧仿生手的任一手指轮廓线i，设置参数如下：一级指骨AiPi1长度Mi1，主要由截骨深度d和αi1决定；二级指骨Pi1Pi2长度Mi2，其值为Pi1和Pi2之间的距离；三级指骨Pi2Pi3长度Mi3，其值为Pi2和Pi3之间的距离；四级指骨Pi3Bi长度Mi4，主要由截骨深度d和αi3决定；
Figure BDA0003422870290000052
针对外侧仿生手的任一手指轮廓线j，设置一级指骨Cj Qj1长度Lj1，主要由截骨深度d和βj1决定；二级指骨Qj1Qj2长度Lj2，其值为Qj1和Qj2之间的距离；三级指骨Qj2Qj3长度Lj3，其值为Qj2和Qj3之间的距离；四级指骨Qj3Dj长度Lj4，主要由截骨深度d和βj3决定；
Figure BDA0003422870290000061
仿生手掌面宽度参数包括：
内侧仿生手掌面宽度Wm，其值等于
Figure BDA0003422870290000062
在冠状面上的投影距离；
外侧仿生手掌面宽度Wl，其值等于
Figure BDA0003422870290000063
在冠状面上的投影距离；
内、外侧仿生手掌距离Wml，其值等于髁间窝宽度w；
内侧仿生手掌面高度Hm，其值等于
Figure BDA0003422870290000064
在矢状面上的投影距离；
外侧仿生手掌面高度Hl，其值等于
Figure BDA0003422870290000065
在矢状面上的投影距离。
步骤三中，股骨髁外轮廓线，指的是，根据股骨髁CT图像，采用轮廓提取方法提取的股骨髁外边界；所述股骨髁假体贴合掌面，指的是，将股骨髁外轮廓线投影到步骤二构建的仿生手掌面上，并以投影线裁剪仿生手掌面之后重新生成的曲面，包括内侧贴合掌面和外侧贴合掌面；内侧贴合掌面依附于股骨内侧髁；外侧贴合掌面依附于股骨外侧髁。
所述轮廓提取方法包括Roberts、Prewitt或Sobel检测算子。
基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法在膝关节置换手术中的应用。
本发明的有益效果是，通过设置关键关节点构建仿生手指结构，设置与人体股骨髁相符合的股骨髁假体贴合掌面，通过调节掌面尺寸参数和掌面弯曲参数改变贴合掌面，实现灵活变形。该方法具有简单、灵活、高效等特点，仿生手结构贴合面与股骨髁贴合度好，使得膝关节弯曲度高，灵活性好。同时，贴合掌面像手掌一样托举着股骨髁，可以取得更好的抓取效果，进而有效避免术后假体松动等问题。本发明为股骨髁假体设计提供了新方法，对提高膝关节置换手术治疗效果有重要意义和价值。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是人体手结构示意图；
图3是本发明的仿生手结构示意图；
图4是仿生手指轮廓线示意图；
图5是股骨髁假体贴合掌面生成示意图；
图6是仿生手掌面弯曲调整示意图。
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，基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，包括如下步骤：
步骤一：构建仿生手指轮廓线；
所述仿生手，指的是，如图2所示的人体手结构相似的结构，包括内侧仿生手和外侧仿生手。
内侧仿生手和外侧仿生手结构，均由4条手指轮廓线构成。
如图3所示，针对内侧仿生手，由内向外，手指轮廓线依次为：食指轮廓线(i＝1，对应食指)、中指轮廓线(i＝2，对应中指)、无名指轮廓线(i＝3，对应无名指)和小拇指轮廓线(i＝4，对应小拇指)。
针对外侧仿生手，由外向内，手指轮廓线依次为：食指轮廓线(j＝1，对应食指)、中指轮廓线(j＝2，对应中指)、无名指轮廓线(j＝3，对应无名指)和小拇指轮廓线(j＝4，对应小拇指)。
每条手指轮廓线均是由起点、一级关节点、二级关节点、三级关节点和末点构成的指骨线构建而来。所述指骨线包括：一级指骨(对应籽骨，为起点和一级关节点之间的线段)，二级指骨(对应近节指骨，为一级关节点和二级关节点之间的线段)，三级指骨(对应中节指骨，二级关节点和三级关节点之间的线段)，四级指骨(对应远节指骨，为三级关节点和末点之间的线段)。
如图4和图5所示，例如，编号为i(i＝1,2,3,4)的内侧仿生手指，包含起点Ai，一级关节点Pi1，二级关节点Pi2，三级关节点Pi3，末点Bi。其中，Pi1与股骨内侧髁最高点(记作Mhigh)处于同一高度，且沿着冠状轴负方向，距离Mhigh的距离为
Figure BDA0003422870290000081
其中，Mmedial为股骨内侧髁最内侧点，Mlateral为股骨内侧髁最外侧点；Pi2与Mmedial处于同一高度，且沿着冠状轴负方向，距离Mmedial的距离为
Figure BDA0003422870290000082
Pi3与股骨内侧髁最低点(记作Mlow)处于同一高度，且沿着冠状轴负方向，距离Mlow的距离为
Figure BDA0003422870290000083
AiPi1为一级指骨，Pi1Pi2为二级指骨，Pi2Pi3为三级指骨，Pi3Bi为四级指骨。Ai和Bi的选取主要依据骨科医生手术中截骨的深度(记作d)决定，满足：
Figure BDA0003422870290000084
如图4和图5所示，编号为j(j＝1,2,3,4)的外侧仿生手指，包含起点Cj，一级关节点Qj1，二级关节点Qj2，三级关节点Qj3，末点Dj。其中，Qj1与股骨外侧髁最高点(记作Lhigh)处于同一高度，且沿着冠状轴正方向，距离Lhigh的距离为
Figure BDA0003422870290000085
其中，Lmedial为股骨外侧髁最内侧点，Llateral为股骨外侧髁最外侧点；Qi2与股骨外侧髁最外侧点(记作Llateral)处于同一高度，且沿着冠状轴正方向，距离Llateral的距离为
Figure BDA0003422870290000086
Qj3与股骨外侧髁最低点(记作Llow)处于同一高度，且沿着冠状轴正方向，距离Llow的距离为
Figure BDA0003422870290000087
CjQj1为一级指骨，Qj1Qj2为二级指骨，Qj2Qj3为三级指骨，Qj3Dj为四级指骨。Cj和Dj的选取主要依据d决定，需满足：
Figure BDA0003422870290000091
步骤二：构建仿生手掌面；
所述仿生手掌面包含仿生手内侧掌面和仿生手外侧掌面，是根据仿生手指轮廓线通过扫掠构建而来的面。所述扫掠是CAD三维建模中通过将一个开放或者封闭的图形沿特定的路径创建实体，属于非常常见的建模方法之一。
步骤2a：配置仿生手掌面弯曲参数；
为了使得仿生手可以更好地匹配股骨髁的弯曲度，设置关节弯曲角。所述关节弯曲角，指的是各指骨轮廓线线之间的夹角，包括一级关节弯曲角、二级关节弯曲角和三级关节弯曲角。
如图4所示，针对内侧仿生手指，设定关节弯曲角如下：一级关节弯曲角(一级指骨和二级指骨之间的角度，记作αi1)；二级关节弯曲角(二级指骨和三级指骨之间的角度，记作αi2)；三级关节弯曲角(三级指骨和四级指骨之间的角度，记作αi3)。具体计算公式(1)所示。
Figure BDA0003422870290000092
针对外侧仿生手指，设定关节弯曲角如下：一级关节弯曲角(一级指骨和二级指骨之间的角度，记作βj1)，二级关节弯曲角(二级指骨和三级指骨之间的角度，记作βj2)，即三级关节弯曲角(三级指骨和四级指骨之间的角度，记作βj3)。具体计算公式(2)所示。
Figure BDA0003422870290000101
如图6所示，通过同时调节各手指轮廓线相对应的关节弯曲角，设置αi1＝αi2＝αi3或者βj1＝βj2＝βj3，使得仿生手掌曲发生同步协调动作。
步骤2b：配置仿生手掌面尺寸参数；
如图4所示，为了获得仿生手掌面初始尺寸，配置仿生手掌面长度参数和仿生手掌面宽度参数。
如图4所示，仿生手掌面长度参数如下：
针对内侧仿生手的任一手指轮廓线i(i为1、2、3和4中任一数字)，设置参数如下：一级指骨长度Mi1，主要由截骨深度(记作d)和αi1决定；二级指骨长度Mi2，其值初始化为Pi1和Pi2之间的距离；三级指骨长度Mi3，其值初始化为Pi2和Pi3之间的距离；四级指骨长度Mi4，主要由d和αi3决定。具体表示如公式3所示。
Figure BDA0003422870290000111
针对外侧仿生手的任一手指轮廓线j(j为1、2、3和4中任一数字)，设置一级指骨长度Lj1，主要由d和βj1决定；二级指骨长度Lj2，其值初始化为Qj1和Qj2之间的距离；三级指骨长度Lj3，其值初始化为Qj2和Qj3之间的距离；四级指骨长度Lj4，主要由截骨深度d和βj3决定。具体表示如公式(4)如所示。
Figure BDA0003422870290000112
如图3所示，仿生手掌面宽度参数如下：
内侧仿生手掌面宽度Wm，其值初始等于
Figure BDA0003422870290000113
在冠状面上的投影距离；
外侧手掌面宽度Wl，其值初始等于
Figure BDA0003422870290000114
在冠状面上的投影距离；
内外侧仿生手掌距离Wml，其值初始等于髁间窝宽度w。
内侧仿生手掌面高度Hm，其值初始等于
Figure BDA0003422870290000115
在矢状面上的投影距离；
外侧手掌面高度Hl，其值初始等于
Figure BDA0003422870290000121
在矢状面上的投影距离。
步骤三：构建髁假体贴合掌面。
如图5所示，所述股骨髁外轮廓线指的是，根据股骨髁CT图像，采用常见的轮廓提取方法，如常见的Roberts、Prewitt、Sobel等检测算子，提取的股骨髁外边界。所述股骨髁假体贴合掌面，指的是，将股骨髁外轮廓线投影到仿生手掌面，并以投影线裁剪仿生手掌面之后重新生成的曲面，包括内侧贴合掌面和外侧贴合掌面。内侧贴合掌面依附于股骨内侧髁；外侧贴合掌面依附于股骨外侧髁。
基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法在膝关节置换手术中的应用。
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 (10)

1.基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：构建仿生手指轮廓线；
步骤二：构建仿生手掌面；
步骤三：构建股骨髁假体贴合掌面。
2.根据权利要求1所述的基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，其特征是，步骤一中，仿生手包括内侧仿生手和外侧仿生手，均由4条手指轮廓线构成；
内侧仿生手，由内向外，手指轮廓线依次为：食指轮廓线i＝1、中指轮廓线i＝2、无名指轮廓线i＝3和小拇指轮廓线i＝4；
内侧仿生手的每条手指轮廓线均是由起点Ai、一级关节点Pi1、二级关节点Pi2、三级关节点Pi3和末点Bi构成的指骨线构建而成；
所述指骨线包括：
一级指骨AiPi1：对应籽骨，为起点Ai和一级关节点Pi1之间的线段；
二级指骨Pi1Pi2：对应近节指骨，为一级关节点Pi1和二级关节点Pi2之间的线段；
三级指骨Pi2Pi3：对应中节指骨，为二级关节点Pi2和三级关节点Pi3之间的线段；
四级指骨Pi3Bi：对应远节指骨，为三级关节点Pi3和末点Bi之间的线段；
一级关节点Pi1与股骨内侧髁最高点Mhigh处于同一高度，且沿着冠状轴负方向延伸，一级关节点Pi1距离Mmedial的距离为
Figure FDA0003422870280000011
其中，Mmedial为股骨内侧髁最内侧点，Mlateral为股骨内侧髁最外侧点；
二级关节点Pi2与股骨内侧髁最内侧点Mmedial处于同一高度，且沿着冠状轴负方向延伸，二级关节点Pi2距离Mmedial的距离为
Figure FDA0003422870280000021
三级关节点Pi3与股骨内侧髁最低点Mlow处于同一高度，且沿着冠状轴负方向延伸，三级关节点Pi3距离Mmedial的距离为
Figure FDA0003422870280000022
起点Ai和末点Bi的位置选取依据骨科医生手术中截骨深度d，满足：
Figure FDA0003422870280000023
同理，外侧仿生手，由外向内，手指轮廓线依次为：食指轮廓线j＝1、中指轮廓线j＝2、无名指轮廓线j＝3和小拇指轮廓线j＝4；
外侧仿生手的每条手指轮廓线均是由起点Cj、一级关节点Qj1、二级关节点Qj2、三级关节点Qj3和末点Dj构成的指骨线构建而成；
所述指骨线包括：
一级指骨CjQj1：对应籽骨，为起点Cj和一级关节点Qj1之间的线段；
二级指骨Qj1Qj2：对应近节指骨，为一级关节点Qj1和二级关节点Qj2之间的线段；
三级指骨Qj2Qj3：对应中节指骨，为二级关节点Qj2和三级关节点Qj3之间的线段；
四级指骨Qj3Dj：对应远节指骨，为三级关节点Qj3和末点Dj之间的线段；
一级关节点Qj1与股骨外侧髁最高点Lhigh处于同一高度，且沿着冠状轴正方向延伸，一级关节点Qj1距离Llateral的距离为
Figure FDA0003422870280000024
其中，Lmedial为股骨外侧髁最内侧点，Llateral为股骨外侧髁最外侧点；
二级关节点Qi2与股骨外侧髁最外侧点Llateral处于同一高度，且沿着冠状轴正方向延伸，二级关节点Qi2距离Llateral的距离为
Figure FDA0003422870280000025
三级关节点Qj3与股骨外侧髁最低点Llow处于同一高度，且沿着冠状轴正方向延伸，三级关节点Qj3距离Llateral的距离为
Figure FDA0003422870280000031
起点Cj和末点Dj的位置选取依据d决定，满足：
Figure FDA0003422870280000032
3.根据权利要求2所述的基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，其特征是，步骤二中，仿生手掌面包括仿生手内侧掌面和仿生手外侧掌面，是根据仿生手指轮廓线通过扫掠构建而来的面。
4.根据权利要求3所述的基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，其特征是，步骤二包括：
步骤2a：配置仿生手掌面弯曲参数；
步骤2b：配置仿生手掌面尺寸参数。
5.根据权利要求4所述的基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，其特征是，步骤2a中，对内侧仿生手设置关节弯曲角，包括：
一级关节弯曲角αi1：一级指骨AiPi1和二级指骨Pi1Pi2之间的角度；
二级关节弯曲角αi2：二级指骨Pi1Pi2和三级指骨Pi2Pi3之间的角度；
三级关节弯曲角αi3：三级指骨Pi2Pi3和四级指骨Pi3Bi之间的角度；
Figure FDA0003422870280000033
对外侧仿生手设置关节弯曲角，包括：
一级关节弯曲角βj1：一级指骨CjQj1和二级指骨Qj1Qj2之间的角度；
二级关节弯曲角βj2：二级指骨Qj1Qj2和三级指骨Qj2Qj3之间的角度；
三级关节弯曲角βj3：三级指骨Qj2Qj3和四级指骨Qj3Dj之间的角度；
Figure FDA0003422870280000041
6.根据权利要求5所述的基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，其特征是，步骤2b中，仿生手掌面尺寸参数包括仿生手掌面长度参数和仿生手掌面宽度参数；
仿生手掌面长度参数包括：
针对内侧仿生手的任一手指轮廓线i，设置参数如下：一级指骨AiPi1长度Mi1，主要由截骨深度d和αi1决定；二级指骨Pi1Pi2长度Mi2，其值为Pi1和Pi2之间的距离；三级指骨Pi2Pi3长度Mi3，其值为Pi2和Pi3之间的距离；四级指骨Pi3Bi长度Mi4，主要由截骨深度d和αi3决定；
Figure FDA0003422870280000042
针对外侧仿生手的任一手指轮廓线j，设置一级指骨CjQj1长度Lj1，主要由截骨深度d和βj1决定；二级指骨Qj1Qj2长度Lj2，其值为Qj1和Qj2之间的距离；三级指骨Qj2Qj3长度Lj3，其值为Qj2和Qj3之间的距离；四级指骨Qj3Dj长度Lj4，主要由截骨深度d和βj3决定；
Figure FDA0003422870280000051
7.根据权利要求6所述的基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，其特征是，仿生手掌面宽度参数包括：
内侧仿生手掌面宽度Wm，其值等于
Figure FDA0003422870280000052
在冠状面上的投影距离；
外侧仿生手掌面宽度Wl，其值等于
Figure FDA0003422870280000053
在冠状面上的投影距离；
内、外侧仿生手掌距离Wml，其值等于髁间窝宽度w；
内侧仿生手掌面高度Hm，其值等于
Figure FDA0003422870280000054
在矢状面上的投影距离；
外侧仿生手掌面高度Hl，其值等于
Figure FDA0003422870280000055
在矢状面上的投影距离。
8.根据权利要求7所述的基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，其特征是，步骤三中，股骨髁外轮廓线，指的是，根据股骨髁CT图像，采用轮廓提取方法提取的股骨髁外边界；所述股骨髁假体贴合掌面，指的是，将股骨髁外轮廓线投影到步骤二构建的仿生手掌面上，并以投影线裁剪仿生手掌面之后重新生成的曲面，包括内侧贴合掌面和外侧贴合掌面；内侧贴合掌面依附于股骨内侧髁；外侧贴合掌面依附于股骨外侧髁。
9.根据权利要求8所述的基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法，其特征是，所述轮廓提取方法包括Roberts、Prewitt或Sobel检测算子。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法在膝关节置换手术中的应用。
CN202111568948.3A 2021-12-21 2021-12-21 基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法和应用 Active CN114366396B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111568948.3A CN114366396B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111568948.3A CN114366396B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114366396A true CN114366396A (zh) 2022-04-19
CN114366396B CN114366396B (zh) 2022-11-01

Family

ID=81140949

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111568948.3A Active CN114366396B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114366396B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011028624A1 (en) * 2009-08-26 2011-03-10 Conformis, Inc. Patient-specific orthopedic implants and models
CN105045992A (zh) * 2015-07-09 2015-11-11 河海大学常州校区 一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法
CN105228558A (zh) * 2013-03-14 2016-01-06 捷迈有限公司 假膝植入体
CN108478250A (zh) * 2018-04-04 2018-09-04 重庆医科大学附属第医院 全膝关节置换术的股骨定位方法、个体化截骨导板及假体
CN108784782A (zh) * 2018-07-26 2018-11-13 重庆市华港科技有限公司 3d打印股骨髁5合1整体化截骨装置及其成型方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011028624A1 (en) * 2009-08-26 2011-03-10 Conformis, Inc. Patient-specific orthopedic implants and models
CN105228558A (zh) * 2013-03-14 2016-01-06 捷迈有限公司 假膝植入体
CN105045992A (zh) * 2015-07-09 2015-11-11 河海大学常州校区 一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法
CN108478250A (zh) * 2018-04-04 2018-09-04 重庆医科大学附属第医院 全膝关节置换术的股骨定位方法、个体化截骨导板及假体
CN108784782A (zh) * 2018-07-26 2018-11-13 重庆市华港科技有限公司 3d打印股骨髁5合1整体化截骨装置及其成型方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘帅: "《计算机辅助设计与3D打印导板技术在人工全膝关节表面置换中的应用》", 《南京医科大学硕士学位论文》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114366396B (zh) 2022-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104933263B (zh) 一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法
ES2735018T3 (es) Reconstrucción ósea e implantes ortopédicos
Swanson et al. Flexible Implant Arthroplasty of the Radiocarpal Joint Surgical Technique and Long-term Study.
JP6356144B2 (ja) 罹患関節における疼痛を軽減するための医療用インプラント
KR20120090997A (ko) 환자 맞춤형 정형외과용 임플란트 및 모형
TW200946073A (en) Generation of a computerized bone model representative of a pre-degenerated state and useable in the design and manufacture of arthroplasty devices
FI2471483T4 (fi) Kirurginen suunnittelu
US11071630B2 (en) Orthopaedic prosthesis for an interphalangeal joint and associated method
WO2010140036A1 (en) A method of designing a knee prosthesis
CN108334730B (zh) 一种基于肌肉群的人体髋部建模与仿真方法
US10357369B2 (en) Method for producing knee replacement implant and implant for knee replacement
CN107280817A (zh) 股骨侧内侧、外侧单髁假体和股骨滑车假体
CN114366396B (zh) 基于仿生手结构的股骨髁假体贴合面设计方法和应用
US10687948B2 (en) Morphologically curved sagittal wall of a tibial implant
ES2774904T3 (es) Bandejas humerales con aumentos de tuberosidad suficientemente diseñados para mejorar la mecánica de las articulaciones
CN210354993U (zh) 一种具有拓扑优化固定单元和多孔髁突头单元的个性化髁突假体
CN107374663B (zh) 人体膝关节伸屈运动的瞬时中心轴和瞬时中心曲面定位方法
Kargarnejad et al. Evaluation of failure of a titanium conventional plate in mandibular reconstruction and improve the performance with fibula free flap
Kemmoku et al. Use of BioCAD in the development of a growth compliant prosthetic device for cranioplasty of growing patients
RU2770988C1 (ru) Имплантат для замещения дистального отдела лучевой кости
RU217863U1 (ru) Силиконовый эндопротез межфалангового сустава пальца кисти
RU2026653C1 (ru) Эндопротез мелких суставов пальцев кисти
CN113855151B (zh) 一种指关节融合器髓腔锉
Rashid et al. Reverse modeling of human humerus by the method of anatomical features (MAF)
CN212522089U (zh) 一种掌指及指间关节假体

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant