一种基于特征参数的接骨板系列化设计方法

摘要

本发明公开了一种基于特征参数的接骨板系列化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：骨骼模型的参数化。基于含有统计信息的平均化点云模型构建骨骼曲面模型，并对其进行参数表示生成骨骼特征模型；步骤二：接骨板贴合面的参数化。以特征线为中心重构接骨板贴合面，并对其进行参数配置生成贴合面特征；步骤三：建立骨骼特征模型与接骨板贴合面特征之间的映射关系，实现根据不同参数的骨骼模型生成系列化接骨板贴合面。本发明可以快速设计出符合患骨的多类型系列化接骨板，减少术中接骨板调整次数，对提高接骨板设计的质量和效率有着重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字骨科技术，具体涉及一种基于特征参数的接骨板 系列化设计方法，本发明属于计算机辅助设计领域。

背景技术

数字骨科概念的形成促使接骨板成为临床上治疗骨骼骨折和病变的普 遍工具。接骨板必须与患骨表面吻合且能保持一定的拓扑结构特征，因此 其设计是骨科计算机辅助设计的重要环节。

人体骨骼种类繁多，且同一骨骼存在年龄、性别、地域等差异。考虑 到个性化设计耗时长、价格昂贵等制约性因素，生产厂家预先批量生产多 类型的一系列接骨板以供医生选择使用。然而，由于历史原因和技术水平 的限制，目前国内接骨板生产厂家主要根据国外人体骨骼参数进行系列化 生产。显然，国人与国外人体骨骼参数相差很大，即使临床医生多次对比、 塑形，手术效果仍然不容乐观。与此同时，骨骼表面表现为复杂的曲面， 且骨折位置差异性大，即使接骨板制造商将接骨板的型号分得足够细，接 骨板贴合面与创伤骨骼表面的吻合性仍然不理想。以上问题实际上已经成 为目前我国骨科医疗器械生产企业的瓶颈问题。

多年来，接骨板的个性化设计使得骨科医生和接骨板生产厂家积累了 大量国人骨骼数据，且已经基于统计分析得到平均化骨骼模型。同时，接 骨板贴合面是具有相同结构且参数各异的曲面，特别适合参数化特征设计。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明给出一种基于特征参数的接骨板系列 化设计方法，首先，基于平均骨骼点云模型通过逆向工程和参数配置生成 曲面特征模型；其次，将曲面特征技术和参数化技术融入到接骨板贴合面 特征的建立；最后，根据特征点，建立骨骼参数与接骨板贴合面参数的映 射关系，生成系列化接骨板贴合面。经过后期处理，生成系列化接骨板。 采用的技术方案如下：

一种基于特征参数的接骨板系列化设计方法，其特征在于，包括如下 步骤：

步骤一：骨骼模型的参数化；

基于含有统计信息的平均化点云模型构建骨骼曲面模型，并对其进行 参数表示生成骨骼特征模型；

步骤二：接骨板贴合面的参数化；

以特征线为中心重构接骨板贴合面，并对其进行参数配置生成贴合面 特征；

步骤三：建立骨骼特征模型与接骨板贴合面特征之间的映射关系，实 现根据不同参数的骨骼模型生成系列化接骨板贴合面。对接骨板贴合面后 期处理生成系列化接骨板。

前述的步骤一包括：

步骤1a：骨骼曲面特征的定义；

按照骨骼局部区域解剖功能和表面形状，对骨骼表面特征进行划分。 桡骨曲面特征可划分为：桡骨头、桡骨颈、桡骨粗隆、桡骨体和桡骨远端；

步骤1b：骨骼特征模型的建立；在骨骼表面定义一系列易于测量、具 有解剖语义的特征内参数和特征间参数。

前述的步骤二包括：

步骤2a：接骨板贴合面的重构；

在骨骼模型选取感兴趣区域，以特征线为单元，结合曲面生成方式(如 填充)重构曲面并将之作为接骨板贴合面；

步骤2b：接骨板贴合面特征的建立；

采用三层参数两级映射结构，将接骨板贴合面的特征参数从高层到底 层划分为高层参数、中间层参数和底层参数，并在三层参数间分别建立相 关映射和约束关系。

前述的步骤三包括：

步骤3a：建立特征点间的映射关系；

分别建立骨骼特征模型上感兴趣区域边界线特征点和接骨板贴合面边 界特征点，以及骨骼特征模型上感兴趣区域辅助特征点和接骨板贴合面辅 助特征点间的关系；

步骤3b：生产系列化接骨板；

根据不同参数的骨骼模型生成系列化接骨板贴合面。对接骨板贴合面 后期处理生成系列化接骨板。

前述的步骤1b中，针对桡骨，所述特征内参数包括：

1)桡骨头特征参数：头最大横径、头最大矢径、头高度、头关节面深度；

2)桡骨颈特征参数：上端横径、上端矢径、颈横径、颈矢径、下端横径、 下端矢径、颈高度；

3)骨粗隆特征参数：粗隆高、粗隆长、粗隆宽；

4)桡骨体特征参数：骨干高、干轴角、干中部周、下端横径、下端矢径；

5)桡骨远端特征参数：桡侧柱高、中间柱高、垂距、宽度；

所述特征间参数包括：头颈高、最大长、远端长。

前述的步骤2a中所述贴合面的重构指：

首先，根据在骨骼特征模型上绘制的边界线对感兴趣区域进行选定， 同时将感兴趣区域分割出来得到源曲面；

然后，在源曲面上利用算法识别曲面上固有的特征线，同时手动交互 绘制辅助特征线；

最后，根据在源曲面上获得的特征线，采用曲面生成方式(如填充)重构 出与源曲面相似的新曲面作为接骨板贴合面。

前述的步骤3a中建立特征点间的映射关系指：

首先，建立骨骼特征模型上特征点集合和重构出的接骨板贴合面特征 上特征点集合的初始对应关系，骨骼特征模型上特征点集合记作set1；接骨 板贴合面特征上特征点集合记作set2；

其次，骨骼特征模型发生形变时，重新调整set2得到接骨板贴合面特征 上的新特征点集合set2′；

最后，基于set2′生成特征线，再通过特征线和曲面生成方式(如填充) 完成新接骨板贴合面的构建。

本发明的有益之处在于：所述的一种基于特征参数的接骨板系列化设 计方法应用于医学骨科手术与医药器材制造领域，对提高接骨板设计效率 和手术质量具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是桡骨曲面特征定义示意图；

图3是桡骨特征模型建立示意图；

图4是桡骨远端掌侧接骨板贴合面重构示意图；

图5是桡骨远端掌侧接骨板贴合面特征建立示意图；

图6是骨骼特征模型和接骨板贴合面特征上特征点初始对应关系示意 图；

图7是新接骨板贴合面生成示意图；

图8是根据特定参数对桡骨远端掌侧接骨板进行系列化生产示意图。

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。

如图1所示，一种基于特征参数的接骨板系列化设计方法，包括如下 步骤：

步骤一：骨骼模型的参数化；

基于含有统计信息的平均化点云模型构建骨骼曲面模型，并对其进行 参数表示生成骨骼特征模型；

步骤1a：骨骼曲面特征的定义；

按照骨骼局部区域解剖功能和表面形状，对骨骼表面特征进行划分。 如图2所示，桡骨曲面特征可划分为：桡骨头、桡骨颈、桡骨粗隆、桡骨 体和桡骨远端；

步骤1b：骨骼特征模型的建立；

在骨骼表面定义一系列易于测量、具有解剖语义的特征内参数和特征 间参数。如图3所示，针对桡骨，前述的特征内参数包括：

1)桡骨头特征参数：头最大横径(H_cd)、头最大矢径(H_sd)、头高度(H_h)、 头关节面深度(H_d)；

2)桡骨颈特征参数：上端横径(N_tpcd)、上端矢径(N_tpsd)、颈横径(N_cd)、颈 矢径(N_sd)、下端横径(N_bpcd)、下端矢径(N_bpsd)、颈高度(N_h)；

3)骨粗隆特征参数：粗隆高(T_h)、粗隆长(T_l)、粗隆宽(T_w)；

4)桡骨体特征参数：骨干高(S_h)、干轴角(S_a)、干中部周(C_s)、下端横径 (S_bpcd)、下端矢径(S_bpsd)；

5)桡骨远端特征参数：桡侧柱高(C_rh)、中间柱高(C_mh)、垂距(L)、宽度 (W)；

所述特征间参数包括：头颈高(H_hm)、最大长(H)、远端长(L)。

步骤二：接骨板贴合面的参数化；

以特征线为中心重构接骨板贴合面，并对其进行参数配置生成贴合面 特征；

步骤2a：接骨板贴合面的重构；

在骨骼模型选取感兴趣区域，以特征线为单元，结合曲面生成方式(如 填充)重构曲面并将之作为接骨板贴合面；

如图4所示，前述的贴合面的重构指：首先，根据在骨骼特征模型上 绘制的边界线对感兴趣区域进行选定(图4a)，同时将感兴趣区域分割出来得 到源曲面(图4b)；然后，在源曲面上利用算法识别曲面上固有的特征线， 同时手动交互绘制辅助特征线(图4c)；

最后，根据在源曲面上获得的特征线，采用曲面生成方式(如填充)重构出与 源曲面相似的新曲面作为接骨板贴合面(图4d)。

步骤2b：接骨板贴合面特征的建立；

如图5所示，采用三层参数两级映射结构，将接骨板贴合面的特征参 数从高层到底层划分为高层参数、中间层参数和底层参数，并在三层参数 间分别建立相关映射和约束关系。

步骤三：建立骨骼特征模型与接骨板贴合面特征之间的映射关系，实 现根据不同参数的骨骼模型生成系列化接骨板贴合面。对接骨板贴合面后 期处理生成系列化接骨板。

步骤3a：建立特征点间的映射关系；

分别建立骨骼特征模型上感兴趣区域边界线特征点和接骨板贴合面边 界特征点，以及骨骼特征模型上感兴趣区域辅助特征点和接骨板贴合面辅 助特征点间的关系；

前述的建立特征点间的映射关系指：

首先，如图6所示，建立骨骼特征模型上特征点集合和重构出的接骨 板贴合面特征上特征点集合的初始对应关系，骨骼特征模型上特征点集合 记作set1；接骨板贴合面特征上特征点集合记作set2；

其次，骨骼特征模型发生形变时，如图7所示，重新调整set2得到接骨 板贴合面特征上的新特征点集合set2′；

最后，基于set2′生成特征线，再通过特征线和曲面生成方式(如填充) 完成新接骨板贴合面的构建。

步骤3b：生产系列化接骨板；

根据不同参数的骨骼模型生成系列化接骨板贴合面。对接骨板贴合面 后期处理生成系列化接骨板。如图8所示，针对桡骨远端掌侧接骨板，分 别对总长度L和宽度W₁，W₂，W₃和W₄，设计出系列化的接骨板。

本发明未进一步说明的均为现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进 和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。