一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字股骨建模技術(shù)，具體涉及一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)和醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)成為發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域。利用相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行骨科植入物和假體設(shè)計(jì)的研宄與應(yīng)用在國內(nèi)外受到廣泛重視。股骨的病變與骨折是外科手術(shù)中最常見病例之一，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和形態(tài)不規(guī)則性是數(shù)字股骨建模研宄中最大的問題。常見的建模方法是:首先使用CT/MRI掃描獲取樣本數(shù)據(jù)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)重建基于點(diǎn)云或者網(wǎng)格的數(shù)據(jù)模型，其次對點(diǎn)云或網(wǎng)格使用幾何方法進(jìn)行優(yōu)化處理，最后生成股骨模型。其缺點(diǎn)主要包括:計(jì)算量大，缺乏高層語意，難以表示股骨各部分之間關(guān)系，對于股骨缺損部位無法精確重建。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，基于醫(yī)學(xué)特征參數(shù)自動創(chuàng)建參數(shù)化股骨模板，能夠通過參數(shù)直觀、準(zhǔn)確地表示股骨曲面形態(tài)，能夠基于參數(shù)的修改生成一系列多樣化股骨模型，對骨科手術(shù)中患者接骨板個性化設(shè)計(jì)有重要意義。
[0004]為解決上述問題，本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案:
[0005]一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0006]步驟1:基于股骨各局部樣條輪廓線，創(chuàng)建局部曲面模型，設(shè)計(jì)過渡曲面特征，光滑連接相鄰局部曲面模型，構(gòu)建股骨全局曲面模型，通過誤差分析確保曲面精度；
[0007]步驟2:設(shè)計(jì)股骨參數(shù)，根據(jù)參數(shù)與局部曲面模型的關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)調(diào)整單一參數(shù)修改局部曲面形態(tài)的功能；
[0008]步驟3:根據(jù)股骨參數(shù)間相關(guān)性，確定各局部曲面間聯(lián)系，設(shè)計(jì)主體參數(shù)、細(xì)節(jié)參數(shù)，創(chuàng)建參數(shù)化股骨模板。
[0009]前述的一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟I包括以下步驟:
[0010]步驟la，切割股骨平均化網(wǎng)格模型，生成股骨局部樣條輪廓線，使用半球方式或者蒙皮、填充、蒙皮與填充相結(jié)合的方式創(chuàng)建局部曲面模型；
[0011]步驟lb，設(shè)計(jì)過渡曲面特征，光滑連接步驟Ia中相鄰的局部曲面模型，形成股骨的全局曲面模型；
[0012]步驟lc，對步驟Ia中局部曲面模型和步驟Ib中全局曲面模型進(jìn)行誤差分析，通過調(diào)整步驟Ia中輪廓線，提高局部曲面模型和全局曲面模型的精度。
[0013]前述的一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟2包括以下步驟:
[0014]步驟2a，設(shè)計(jì)股骨參數(shù)，所述參數(shù)包括近端參數(shù)和遠(yuǎn)端參數(shù)；
[0015]步驟2b，根據(jù)步驟2a中設(shè)計(jì)的近端參數(shù)、遠(yuǎn)端參數(shù)與步驟Ia中局部曲面模型的關(guān)聯(lián)性，調(diào)整近端或遠(yuǎn)端參數(shù)修改局部曲面形態(tài)。
[0016]前述的一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟3包括以下步驟:
[0017]步驟3a，根據(jù)步驟2a中股骨參數(shù)間的相關(guān)性，確定步驟Ia中局部曲面間關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)主體參數(shù)，創(chuàng)建參數(shù)化股骨模板；
[0018]步驟3b，增加細(xì)節(jié)參數(shù)以進(jìn)一步提高參數(shù)化股骨模板的曲面細(xì)節(jié)質(zhì)量，優(yōu)化步驟3a中參數(shù)化股骨模板。
[0019]前述的一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟I的步驟Ia中，所述局部曲面模型包括股骨頭部、頸部、大轉(zhuǎn)子部分、股骨干部分、遠(yuǎn)端髁部，股骨頭部基于半球方式創(chuàng)建，頸部、大轉(zhuǎn)子部分、股骨干部分、遠(yuǎn)端髁部使用蒙皮、填充或者二者相結(jié)合的方式創(chuàng)建。
[0020]前述的一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟I的步驟Ib中，所述全局曲面模型為由步驟Ia中所有局部曲面模型與過渡曲面所構(gòu)成的表示完整股骨形態(tài)的曲面組合。
[0021]前述的一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟2的步驟2a中，所述近端參數(shù)包括頭半徑大小(Cl，即頭部擬合球半徑)、頸干角角度(C2，即頸部軸線與股骨干上端軸線的夾角)、頸部長度(C3，即股骨頭球心到頸部軸線與股骨干上端軸線焦點(diǎn)的距離)、頸半徑大小(C4，即頸部峽部截面擬合圓的半徑)、偏心距長度(C5，即股骨頭球心到股骨干上端軸線的垂直距離)、T-20橫徑長度(C6，小轉(zhuǎn)子點(diǎn)與股骨干上端軸線所在平面與小轉(zhuǎn)子下20mm出截面線的兩交點(diǎn)間距離)、股骨頭高度(C7，即股骨頭球心到小轉(zhuǎn)子所在截面的垂直距離)。所述遠(yuǎn)端參數(shù)包括:股骨長度(Al，即大轉(zhuǎn)子最高點(diǎn)至髁部最低點(diǎn)的垂直距離)、髁上軸長度(BI，即髁部最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)兩點(diǎn)間距離)、外髁高度(B2，即前髁線外側(cè)頂點(diǎn)到后髁線與股骨干軸線方向所構(gòu)成的平面的垂直距離)、內(nèi)髁高度(B3，即前髁線內(nèi)側(cè)頂點(diǎn)到后髁線與股骨干軸線方向所構(gòu)成的平面的垂直距離)、前髁線長度(B4，即前髁內(nèi)外側(cè)兩最高點(diǎn)間距離)、后髁線長度(B5，即后髁內(nèi)外側(cè)兩最高點(diǎn)間距離)、外髁傾角角度(B6，即前髁外側(cè)點(diǎn)與后髁外側(cè)點(diǎn)間連線與后髁線的夾角)、內(nèi)髁傾角角度(B7，即前髁內(nèi)側(cè)點(diǎn)與后髁內(nèi)側(cè)點(diǎn)間連線與后髁線的夾角)、滑車溝高度(B8，即滑車溝頂點(diǎn)到后髁線與股骨干軸線方向所構(gòu)成的平面的垂直距離)、滑車溝角角度(B9，即前髁外側(cè)點(diǎn)、滑車溝點(diǎn)、前髁內(nèi)側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)間夾角)、橫徑長度(B10，即髁上軸在后髁線上的投影距離)。
[0022]前述的一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟2的步驟2b中，可以修改局部曲面形態(tài)的參數(shù)包括股骨長度(Al)、髁上軸長度(BI)、外髁高度(B2)、頭半徑大小(Cl)、頸部長度(C3)、頸半徑大小(C4)、偏心距長度(C5)。
[0023]前述的一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟3的步驟3a中，所述股骨參數(shù)間的相關(guān)性通過相對平均模型構(gòu)建，所述主體參數(shù)為股骨長度(Al)，股骨長度(Al)的變化率等比于髁上軸長度(BI)、外髁高度(B2)、頭半徑大小(Cl)、頸部長度(C3)、頸半徑大小(C4)、偏心距長度(C5)，所述局部曲面間關(guān)聯(lián)為當(dāng)參數(shù)調(diào)整時(shí)，與參數(shù)相對應(yīng)的局部曲面中的相關(guān)曲面同時(shí)變形。
[0024]前述的一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟3的步驟3b中，所述細(xì)節(jié)參數(shù)包括滑車溝高度(B8)、頸干角角度(C2)、T-20橫徑長度(C6)。
[0025]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提供的一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，基于參數(shù)化模板自動創(chuàng)建股骨曲面模型，系統(tǒng)運(yùn)行效率高，同時(shí)支持股骨曲面的個性化設(shè)計(jì)。本發(fā)明應(yīng)用于醫(yī)學(xué)骨科手術(shù)與醫(yī)藥器材制造領(lǐng)域，能夠通過參數(shù)直觀、準(zhǔn)確地表示股骨曲面形態(tài)，指導(dǎo)針對患者股骨特征的個性化接骨板設(shè)計(jì)，對模擬手術(shù)和提高手術(shù)效果具有重要意義。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明中一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法流程圖；
[0027]圖2是本發(fā)明中股骨曲面創(chuàng)建過程示意圖；
[0028]圖3是本發(fā)明中股骨近端參數(shù)化識別示意圖；
[0029]圖4是本發(fā)明中股骨遠(yuǎn)端參數(shù)化識別示意圖；
[0030]圖5是本發(fā)明中局部參數(shù)對股骨曲面的影響對比示意圖；
[0031]圖6是本發(fā)明中增加細(xì)節(jié)參數(shù)前后股骨曲面模型對比示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0033]如圖1所示，一種參數(shù)化股骨模板的構(gòu)建方法，可以概括為主要包括以下幾個步驟:
[0034]步驟1:基于股骨各局部樣條輪廓線，創(chuàng)建局部曲面模型，設(shè)計(jì)過渡曲面特征，光滑連接相鄰局部曲面模型，構(gòu)建股骨全局曲面模型，通過誤差分析確保曲面精度；
[0035]步驟2:設(shè)計(jì)股骨參數(shù)，根據(jù)參數(shù)與局部曲面模型的關(guān)聯(lián)性，調(diào)整股骨參數(shù)中的單一參數(shù)修改局部曲面形態(tài)；
[0036]步驟3:根據(jù)股骨參數(shù)間相關(guān)性，確定各局部曲面間聯(lián)系，設(shè)計(jì)主體參數(shù)、細(xì)節(jié)參數(shù)，創(chuàng)建參數(shù)化股骨模板。
[0037]具體的，首先，基于股骨各局部樣條輪廓線，創(chuàng)建局部曲面模型，設(shè)計(jì)過渡曲面特征，光滑連接相鄰局部曲面模型，構(gòu)建股骨全局曲面模型，通過誤差分析確保曲面精度，包括以下步驟:
[0038]步驟la，切割股骨平均化網(wǎng)格模型，生成股骨局部樣條輪廓線，使用半球方式或者蒙皮、填充、蒙皮與填充相結(jié)合的方式創(chuàng)建局部曲面模型；
[0039]步驟lb，設(shè)計(jì)過渡曲面特征，光滑連接步驟Ia中相鄰的局部曲面模型，形成股骨的全局曲面模型；
[0040]步驟lc，對步驟Ia中局部曲面模型和步驟Ib中全局曲面模型進(jìn)行誤差分析，通過調(diào)整步驟Ia中輪廓線，提高局部曲面模型和全局曲面模型的精度。
[0041]然后，對股骨進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，確定各參數(shù)與局部曲面模型的關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)通過單一參數(shù)的變化調(diào)整局部曲面形態(tài)，包括以下步驟:
[0042]步驟2a，設(shè)計(jì)股骨參數(shù)，對股骨近端和遠(yuǎn)端曲面特征進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，所述參數(shù)包括近端參數(shù)和遠(yuǎn)端參數(shù)，近端參數(shù)包括頭半徑大小(Cl)、頸干角角度(C2)、頸部長度(C3)、頸半徑大小(C4)、偏心距長度(C5)、T-20橫徑長度(C6)、股骨頭高度(C7)，所述遠(yuǎn)端參數(shù)包括股骨長度(Al)、髁上軸長度(BI)、外髁高度(B2)、內(nèi)髁高度(B3)、前髁線長度(B4)、后髁線長度(B5)、外髁傾角角度(B6)、內(nèi)髁傾角角度(B7)、滑車溝高度(B8)、滑車溝角角度(B9)、橫徑長度(BlO)；
[0043]步驟2b，根據(jù)步驟2a中設(shè)計(jì)的近端參數(shù)、