基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法

摘要

本发明公开了一种基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法。该方法包括：步骤1：测量个体受损骨骼模型有效参数以及对侧骨骼解剖参数，创建个体骨骼近似模型；基于轮廓线投影截取两个骨骼模型外侧区域，获得个体骨骼局部曲面和接骨板初始贴合面；将骨骼局部曲面和接骨板初始贴合面分割为多个片段，计算各片段拟合平面的法矢；计算两个坐标空间中对应片段法矢投影夹角；采用递归算法将贴合面片段匹配至骨骼外形片段，获取接骨板贴合面。本发明能能够直观、高效地创建和优化接骨板轮廓外形，为解剖型接骨板的个性化设计与优化提供重要基础，对指导医疗设备厂商植入物产品开发和提高骨折固定治疗效果具有重要指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种接骨板贴合面设计方法，特别涉及一种基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法。

背景技术

在人体股骨骨折治疗中，解剖型接骨板贴合面外形设计与骨折固定手术治疗结果密切相关。随着人民医疗需求的不断增长，骨科接骨板设计水平日益提高。针对患者特征信息设计接骨板贴合面，已成为当前数字骨科领域中一项重要研究内容。现有相关工作中接骨板主要采用系列化方式设计，面向个体患者的解剖型接骨板设计费用昂贵，现有接骨板贴合面设计研究主要存在两方面不足：第一，个体原有解剖外形重构耗时，导致个性化接骨板设计效率普遍不高；第二，接骨板外形复杂、自动编辑困难，未能有效解决接骨板结合面与个体骨骼外形匹配问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，基于点对应创建股骨平均化网格模型，采用分段法矢描述接骨板贴合面和骨骼局部外形曲面外形，基于递归方式自动调整接骨板贴合面法矢，实现接骨板贴合面和骨骼外形间匹配度提升。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，包括如下步骤：

步骤1：基于同类型正常股骨样本表面网格模型集，构建股骨平均化外形模型；重构个体对侧骨骼模型；测量个体受损骨骼模型有效参数以及对侧骨骼解剖参数，通过参数驱动平均化模型约束变形，创建个体骨骼近似模型；

步骤2：将个体骨骼近似模型对齐至对侧骨骼网格模型；基于轮廓线投影截取两个骨骼模型外侧区域，获得个体骨骼局部曲面和接骨板初始贴合面；

步骤3：沿着骨骼远端到近端方向，将骨骼局部曲面和接骨板初始贴合面分割为多个片段，计算各片段拟合平面的法矢；将法矢分别投影至坐标空间两个平面，并计算两个坐标空间中对应片段法矢投影夹角；采用递归算法，由远端至近端，将贴合面片段匹配至骨骼外形片段；获取接骨板贴合面。

前述的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1a：基于同类型正常股骨样本表面网格模型集Fs，构建股骨平均化外形模型。具体算法为：1)创建同类型股骨样本集Fs，通过降噪、网格简化等操作，各样本模型中顶点数量与均值偏差小于100；2)初始化样本模型Fsi的权值λi为1，i∈(1,2，…，n)；3)从样本集Fs中选择任一样本作为参考模型Fr；4)采用ICP配准算法，将其他样本Fsi对齐至参考模型Fr；5)参考公式(1)，基于最近对应点加权平均，求解平均化模型Fa，λr值自加1；6)选择其他样本，执行递归执行第4步，直至收敛，获得最终平均化模型Fa；

PT

步骤1b：基于CT数据重构患者对侧骨骼模型F

前述的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2a：基于人体矢状面对称，由对侧骨骼模型F

步骤2b：在镜像模型F

前述的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3a：沿着骨骼远端到近端方向，将骨骼局部曲面和接骨板初始贴合面分割为多个片段，计算各片段拟合平面的法矢V

步骤3b：将法矢分别投影至坐标空间两个平面，并计算两个坐标空间中对应片段法矢投影夹角；

步骤3c：采用递归算法，由远端至近端，将各片段V

前述的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，所述步骤1的步骤1a中，所述的同类型股骨样本集Fs是通过降噪、网格简化等预处理，样本模型中顶点数量与均值偏差小于100；所述模型权值λi，默认值为1，递归一次参考模型权值自加1；所述配准算法为传统ICP刚性配准算法；

前述的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，所述步骤1的步骤1b中，所述的患者对侧骨骼模型F

前述的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，所述步骤2的步2a中，所述的镜像模型F

前述的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，所述步骤2的步2b中，所述的轮廓草图绘制的矢状面是指个体镜像模型F

前述的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，所述步骤3的步3a中，所述的分段是指由远端到近端，依据骨骼曲面复杂度，采用股骨干轴线追垂直面切割，贴合面分割与骨骼曲面完全一致；

前述的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，所述步骤3的步3b中，所述的投影平面为坐标空间中zx和yz平面；所述的夹角是指V

前述的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，所述步骤3的步3c中，所述的递归算法初始片段为远端，采用由远端至近端方向；所述的匹配是指递归执行一次过程中接骨板贴合面当前片段后和后续片段法矢调整至骨骼曲面对应法矢。

本发明的有益之处在于：本发明的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，系统运行效率高，通过接骨板贴合面分段曲面的法矢表示，简化了复杂曲面的表示，提高了接骨板外形表示和编辑效率；基于贴合面分段配置，能有效提高解剖型接骨板贴合面与骨骼外形间匹配性，有助于复杂骨折的解剖复位。本发明应用于医疗器材制造领域，能够直观、高效地创建和优化接骨板轮廓外形，为解剖型接骨板的个性化设计与优化提供重要基础，对指导医疗设备厂商植入物产品开发和提高骨折固定治疗效果具有重要指导意义。

附图说明

图1是本发明中基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法流程图；

图2是本发明中平均化骨骼模型创建示意图；

图3是本发明中个体近似模型创建示意图；

图4是本发明中镜像骨骼创建与配准示意图；

图5是本发明中接骨板初始贴合面和骨骼局部曲面生成示意图；

图6是本发明中曲面片段分割与法矢创建示意图；

图7是本发明中法矢投影分解表示示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做具体的介绍。

参照图1所示，本发明基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，包括如下步骤：

步骤1：基于同类型正常股骨样本表面网格模型集，构建股骨平均化外形模型；重构个体对侧骨骼模型；测量个体受损骨骼模型有效参数以及对侧骨骼解剖参数，通过参数驱动平均化模型约束变形，创建个体骨骼近似模型；

步骤2：将个体骨骼近似模型对齐至对侧骨骼网格模型；基于轮廓线投影截取两个骨骼模型外侧区域，获得个体骨骼局部曲面和接骨板初始贴合面；

步骤3：沿着骨骼远端到近端方向，将骨骼局部曲面和接骨板初始贴合面分割为多个片段，计算各片段拟合平面的法矢V

前述的基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1a：如图2所示，基于同类型正常股骨样本表面网格模型集F

步骤1b：如图3所示，基于CT数据重构患者对侧骨骼模型F

步骤2a：如图4所示，基于人体矢状面对称，由对侧骨骼模型F

步骤2b：如图5所示，在镜像模型F

步骤3a：如图6所示，沿着骨骼远端到近端方向，将骨骼局部曲面和接骨板初始贴合面分割为多个片段，计算各片段拟合平面的法矢V

步骤3b：如图7所示，将法矢分别投影至坐标空间两个平面，并计算两个坐标空间中对应片段法矢投影夹角；

步骤3c：采用递归算法，由远端至近端，将各片段V

本方法未进一步说明的均为现有技术。

本发明给出了基于分段匹配的接骨板贴合面设计方法。首先，基于同类型正常股骨样本表面网格模型集，构建股骨平均化外形模型；重构个体对侧骨骼模型；测量个体受损骨骼模型有效参数以及对侧骨骼解剖参数，通过参数驱动平均化模型约束变形，创建个体骨骼近似模型；然后，将个体骨骼近似模型对齐至对侧骨骼网格模型；基于轮廓线投影截取两个骨骼模型外侧区域，获得个体骨骼局部曲面和接骨板初始贴合面；最后，沿着骨骼远端到近端方向，将骨骼局部曲面和接骨板初始贴合面分割为多个片段，计算各片段拟合平面的法矢；将法矢分别投影至坐标空间两个平面，并计算两个坐标空间中对应片段法矢投影夹角；采用递归算法，由远端至近端，将贴合面片段匹配至骨骼外形片段；获取接骨板贴合面。

本发明能能够直观、高效地创建和优化接骨板轮廓外形，为解剖型接骨板的个性化设计与优化提供重要基础，对指导医疗设备厂商植入物产品开发和提高骨折固定治疗效果具有重要指导意义。

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。