一種基于優(yōu)化曲率的髓內(nèi)釘設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字骨科技術(shù)，具體涉及一種基于優(yōu)化曲率的髓內(nèi)釘設(shè)計方法，本發(fā)明屬于計算機(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]股骨是人體最大的長管狀骨，位于人體下肢大腿中，承擔(dān)著人體上半部分所有重量，近端參與組成髖關(guān)節(jié)連接盆骨，遠(yuǎn)端參與組成膝關(guān)節(jié)連接小腿脛骨。然而，股骨病變、骨折等現(xiàn)象時常發(fā)生。隨著計算機(jī)輔助設(shè)計、三維重建技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的結(jié)合，計算機(jī)輔助骨科手術(shù)逐步發(fā)展起來，臨床治療方法多為在患者股骨內(nèi)使用髓內(nèi)釘以獲得堅強(qiáng)的固定。然而，目前髓內(nèi)釘植入后其初期穩(wěn)定和其后的生物學(xué)固定效果不理想，經(jīng)常發(fā)生松動、下沉、旋轉(zhuǎn)和塌陷等現(xiàn)象。有限元分析表明，髓內(nèi)釘與股骨在干骺端的匹配對于整體匹配效果十分關(guān)鍵。在干髓端的完好匹配可使負(fù)荷力的傳遞更加符合生理需求，避免因植入物與骨之間界面產(chǎn)生切線運(yùn)動而造成的植入物松動，減少應(yīng)力遮擋、應(yīng)力集中等問題。同時減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)及其他不利于骨生長的因素。因此，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行植入物設(shè)計的研宄具有重要的理論意義和廣泛的臨床應(yīng)用價值，受到了國內(nèi)外研宄學(xué)者的廣泛關(guān)注。
[0003]目前，國內(nèi)使用的髓內(nèi)釘多為進(jìn)口或者仿制國外，然而，關(guān)于東西方人股骨參數(shù)測量的實驗結(jié)果表明不同種族間股骨形態(tài)參數(shù)的差異且男女之間差異很大，尤其是股骨近端解剖形態(tài)的顯著性差異導(dǎo)致進(jìn)口的植入物與國人股骨匹配性較差。在臨床手術(shù)過程中，醫(yī)生需要不斷對植入物進(jìn)行對比、塑形(彎曲裁剪等)，不僅手術(shù)時間長，效果差，而且增加了患者的疼痛程度。此外，植入物本身材質(zhì)表明冷塑形會改變材質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低材質(zhì)性能。股骨髓腔是一個不規(guī)則的錐形管腔，股骨髓腔壁呈不規(guī)則的自由曲面，且股骨近端由近及遠(yuǎn)，斷層的長軸呈外旋趨勢，這種扭曲角度的存在勢必導(dǎo)致在擴(kuò)髓及植入物安放過程中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致前傾角的改變，加之目前市場髓內(nèi)釘多較股骨髓腔直，導(dǎo)致臨床手術(shù)時使得植入物與股骨髓腔完全匹配是非常困難的。因此，為使髓內(nèi)釘與股骨髓腔更完好的匹配，需要根據(jù)國人股骨髓腔形態(tài)參數(shù)生產(chǎn)植入物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0005]一種基于優(yōu)化曲率的髓內(nèi)釘設(shè)計方法，包括如下步驟:
[0006]步驟一:采集股骨CT圖像樣本并按照性別和干骺端閃爍系數(shù)將其分組，同時建立股骨曲面模型；
[0007]步驟Ia:股骨CT圖像樣本的采集和分組，隨機(jī)抽取η例正常(無骨病史)國人單側(cè)(左右腿隨機(jī))股骨CT掃描數(shù)據(jù)并按照性別和干骺端閃爍系數(shù)分組；
[0008]根據(jù)性別和干骺端閃爍系數(shù)對股骨樣本進(jìn)行分組是指先根據(jù)性別分為男女組，然后分別對男女組根據(jù)Τ+20/Τ+20的比值將股骨形態(tài)分為三類:1.8-2.0為一類，2.0-2.8為一類，2.8-3.0 為一類。
[0009]步驟Ib:建立股骨曲面模型，先采用手工分割和自動分割結(jié)合使用實現(xiàn)股骨分割(包括對水平面、冠狀面、矢狀面的操作)，再采用算法簡化和平滑股骨曲面。
[0010]步驟二:選用經(jīng)過股骨髓腔中心的矢狀面將股骨模型分為左右兩部分，并在矢狀面上建立坐標(biāo)系，擬合股骨髓腔中心線；
[0011]步驟2a:確定通過股骨髓腔中心的矢狀面，該矢狀面將股骨分為左右兩部分，且股骨髓腔中心線位于矢狀面上；
[0012]步驟2b:在矢狀面上建立坐標(biāo)系；在矢狀面上建立坐標(biāo)系是以干骺寬度線段中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，以矢狀面內(nèi)指向股骨遠(yuǎn)端的方向為X軸方向，以矢狀面上垂直于X軸且指向股骨后面的方向為Y軸方向。
[0013]步驟2c:擬合股骨髓腔中心線，擬出合反映自股骨近端小轉(zhuǎn)子上20mm處至股骨遠(yuǎn)端髕骨面之間的股骨髓腔中心的曲線。
[0014]步驟三:尋找反映股骨髓腔中心線曲率變化的關(guān)鍵點(diǎn)，利用關(guān)鍵點(diǎn)擬合出股骨髓腔中心線曲率函數(shù)；
[0015]步驟3a:初始化股骨髓腔中心線的分段點(diǎn)，對股骨髓腔中心曲線先初步等步長分為16段，并標(biāo)記下每個分段點(diǎn)位置；
[0016]步驟3b:通過不斷調(diào)整分段點(diǎn)尋找關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)每個分段點(diǎn)的曲率與已設(shè)定的曲率閾值的比較判別每個分段是否進(jìn)行合并或者等步長拆分，終止時保留下的點(diǎn)即為所尋找的關(guān)鍵點(diǎn)；
[0017]調(diào)整分段點(diǎn)尋找關(guān)鍵點(diǎn)是指對于每個分段計算出Λ y/ Λ X的數(shù)值。設(shè)定一個分類閾值，當(dāng)Dy/Dx小于給定的分類閾值時則考慮將該分段與相鄰分段中曲率最接近的段合并為一段；反之，當(dāng)Ay/Λ X大于給定的分類閾值時則考慮繼續(xù)將此分段一分為兩段。同時，對新得到的兩個分段繼續(xù)進(jìn)行計算Δ y/ Λ X，不斷重復(fù)以上步驟直至終止。
[0018]步驟3c:建立股骨髓腔中心線曲率變化函數(shù)，根據(jù)步驟3b中尋找的關(guān)鍵點(diǎn)建立出股骨髓腔中心線曲率變化函數(shù)。股骨髓腔中心線曲率變化函數(shù)反映股骨髓腔曲率變化，由離散的點(diǎn)組成，記為Y (X)。
[0019]步驟四:根據(jù)股骨髓腔中心線曲率函數(shù)設(shè)計髓內(nèi)釘曲率，同時虛擬手術(shù)模擬髓內(nèi)釘插入過程中的應(yīng)力測試，微調(diào)部分關(guān)鍵點(diǎn)處曲率，最終設(shè)計出與步驟一中各個分組相符的髓內(nèi)釘。
[0020]步驟4a:根據(jù)步驟3c中建立的股骨髓腔中心線曲率函數(shù)，設(shè)計與股骨髓腔曲率相符合的髓內(nèi)釘；
[0021]步驟4b:虛擬手術(shù)模擬髓內(nèi)釘插入骨髓腔的過程，進(jìn)行應(yīng)力測試并微調(diào)部分關(guān)鍵點(diǎn)處曲率，最終設(shè)計出與步驟Ia中各個分組相符的髓內(nèi)釘。
[0022]本發(fā)明的有益之處在于:基于優(yōu)化曲率的髓內(nèi)釘設(shè)計方法，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)骨科手術(shù)與醫(yī)藥器材制造領(lǐng)域，為髓內(nèi)釘?shù)脑O(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，對提高植入物設(shè)計效率和手術(shù)質(zhì)量具有重要意義。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的原理圖；
[0024]圖2是股骨樣本干骺端閃爍系數(shù)分布示意圖；
[0025]圖3是股骨樣本分組示意圖；
[0026]圖4是選取反映股骨髓腔變化曲率范圍示意圖；
[0027]圖5是建立股骨曲率變化函數(shù)示意圖；
[0028]圖6是根據(jù)虛擬手術(shù)重新調(diào)整股骨曲率。
【具體實施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。
[0030]參照圖1所示，一種基于優(yōu)化曲率的髓內(nèi)釘設(shè)計方法，包括如下步驟:
[0031]步驟一:采集股骨CT圖像樣本并按照性別和干骺端閃爍系數(shù)將其分組，同時建立股骨曲面模型；
[0032]步驟Ia:股骨CT圖像樣本的采集和分組，隨機(jī)抽取η例正常(無骨病史)國人單側(cè)(左右腿隨機(jī))股骨CT掃描數(shù)據(jù)并按照性別和干骺端閃爍系數(shù)分組；
[0033]參照圖2、圖3所示，所述根據(jù)性別和干骺端閃爍系數(shù)對股骨樣本進(jìn)行分組是指先根據(jù)性別分為男女組，然后分別對男女組根據(jù)Τ+20/Τ+20的比值將股骨形態(tài)分為三類:
1.8-2.0 為一類，2.0-2.8 為一類，2.8-3.0 為一類。
[0034]步驟Ib:建立股骨曲面模型，先采用手工分割和自動分割結(jié)合使用實現(xiàn)股骨分割(包括對水平面、冠狀面、矢狀面的操作)，再采用算法簡化和平滑股骨曲面。
[0035]步驟二:選用經(jīng)過股骨髓腔中心的矢狀面將股骨模型分為左右兩部分，并在矢狀面上建立坐標(biāo)系，擬合股骨髓腔中心線；
[0036]步驟2a:確定通過股骨髓腔中心的矢狀面，該矢狀面將股骨分為左右兩部分，且股骨髓腔中心線位于矢狀面上；