一種基于平均股骨模型的接骨板系列化設(shè)計(jì)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)，具體涉及一種基于平均股骨模型的接骨板系列化 設(shè)計(jì)方法，屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為人體最長(zhǎng)的管狀骨，股骨承受著人體上半身所有重量，股骨病變、骨折等現(xiàn)象 頻頻發(fā)生。計(jì)算機(jī)數(shù)字化技術(shù)在骨科臨床的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了新型數(shù)字骨科的快速發(fā)展，開 啟了采用接骨板對(duì)損壞股骨進(jìn)行固定的臨床治療新思路?；趯?duì)人體股骨生理結(jié)構(gòu)特性相 似性的認(rèn)識(shí)和理解，目前國(guó)內(nèi)醫(yī)療器械商家生產(chǎn)出型號(hào)各異的一系列接骨板，以滿足骨科 臨床中治療創(chuàng)傷性骨折的需求。然而，驗(yàn)結(jié)果表明不同種族間股骨形態(tài)參數(shù)差異很大，根 據(jù)西方人的股骨形態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)的系列化接骨板迫使骨科醫(yī)生在臨床手術(shù)中不斷對(duì)接骨板 進(jìn)行對(duì)比、塑形（彎曲、裁剪等），不僅匹配性差，降低了術(shù)后效果，而且增加了患者的疼痛 程度。除此之外，接骨板本身材料和結(jié)構(gòu)特性表明冷塑形會(huì)改變材質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低材質(zhì)性 能，接骨板表面的刮擦也會(huì)大大增加腐蝕和電解電位的作用，縮短接骨板的疲勞壽命。以上 都會(huì)導(dǎo)致股骨術(shù)后畸形愈合、不愈合及感染的高發(fā)生率，甚至造成嚴(yán)重的免疫系統(tǒng)損害、營(yíng) 養(yǎng)不良、肺部和胃腸道功能障礙及神經(jīng)系統(tǒng)損傷。同時(shí)，股骨表面表現(xiàn)為復(fù)雜的曲面，股骨 參數(shù)的有效定義和接骨板的型號(hào)劃分無疑為接骨板的系列化設(shè)計(jì)增加了挑戰(zhàn)。因此，基于 根據(jù)國(guó)人股骨形態(tài)學(xué)參數(shù)構(gòu)建的平均股骨模型，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)接骨板系列化 設(shè)計(jì)進(jìn)行研宄具有廣泛的臨床應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)受到了國(guó)內(nèi)研宄學(xué)者的廣泛關(guān)注。
[0003] 本發(fā)明在已構(gòu)建的平均股骨模型的基礎(chǔ)上，先提取出某一類固定尺寸大小的接骨 板特征并進(jìn)行參數(shù)化，再依據(jù)平均股骨模型的統(tǒng)計(jì)參數(shù)規(guī)律，將其對(duì)應(yīng)到接骨板特征參數(shù) 上，生成系列化特征產(chǎn)品。設(shè)計(jì)出的接骨板與患肢完好匹配，加大對(duì)軟組織和骨愈合同時(shí)減 少并發(fā)癥，使得作用于患肢和接骨板上的機(jī)械應(yīng)力最符合人體生理機(jī)能需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0005] -種基于平均股骨模型的接骨板系列化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟一：平均股骨模型的構(gòu)建
[0007] 步驟la :參數(shù)定義及其約束關(guān)系的建立；根據(jù)醫(yī)學(xué)意義對(duì)股骨曲面模型定義參數(shù) (包括主要形態(tài)參數(shù)和細(xì)節(jié)參數(shù)），并建立各參數(shù)之間的相關(guān)性。
[0008] 所述主要形態(tài)參數(shù)為反映股骨曲面局部形狀的參數(shù)，包括股骨頭特征參數(shù)、頸部 特征參數(shù)、粗隆特征參數(shù)、股骨干特征參數(shù)、髁部特征參數(shù)。所述細(xì)節(jié)參數(shù)主要為股骨頭各 特征參數(shù)包含的具體反映股骨某一明顯特征的參數(shù)，如股骨頭參數(shù)包括股骨頭半徑札，頸 部特征參數(shù)保包括頸峽部半徑隊(duì)、頸軸長(zhǎng)N ln、頸部與粗隆分界輪廓長(zhǎng)半軸Nln。和短半軸長(zhǎng) 度Nwn。等，粗隆特征參數(shù)包括粗隆高度T h等，股骨干特征參數(shù)包括股骨干高S h等，髁部特征 參數(shù)包括外髁高Chl、橫徑長(zhǎng)度Cu等。所述約束關(guān)系建立是指特征約束的生成表示，指以細(xì) 節(jié)參數(shù)為變量的特征參數(shù)的表示。
[0009] 步驟lb:多元統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立；根據(jù)步驟la中設(shè)置的主要形態(tài)參數(shù)和細(xì)節(jié)參 數(shù)，基于醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)建立由股骨形態(tài)參數(shù)決定的多元統(tǒng)計(jì)平均股骨數(shù)學(xué)模型。
[0010] 所述建立由股骨形態(tài)參數(shù)決定的多元統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型具體指建立由股骨形態(tài)參數(shù) 決定的股骨多參數(shù)正態(tài)分布密度函數(shù)。采集N個(gè)股骨樣本模型，并抽取M個(gè)形態(tài)參數(shù)（Mif 主要形態(tài)參數(shù)，M2個(gè)細(xì)節(jié)參數(shù)）。假設(shè)^個(gè)主要形態(tài)參數(shù)的總體均值向量用y i表示，112個(gè) 細(xì)節(jié)形態(tài)參數(shù)的總體均值向量用表示，總體均值向量用y表示，則y = yiA+i^b，其 中A，B分別為Mi XMJP M 2XM2的矩陣，且除對(duì)角線上的元素分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)形態(tài)參數(shù)的權(quán)重 值，其余元素均為零，權(quán)重的取值由骨科醫(yī)生根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)確定。總體協(xié)方差矩陣用2表 示（由(j，k-l，2，. 構(gòu)成的mxm總體協(xié)方差矩陣，％_k為第j個(gè)反應(yīng)變量與 第k個(gè)反應(yīng)變量的總體協(xié)方差），則反映股骨形態(tài)的M維多元正態(tài)分布的概率密度函數(shù)表示 為：
[0012] 其中，I 2 I表示2的行列式，2T1表示2的逆矩陣。
[0013] 步驟二：接骨板特征的參數(shù)化
[0014] 步驟2a :接骨板特征生成；從多元統(tǒng)計(jì)平均股骨數(shù)學(xué)模型表面中獲取接骨板貼合 面，生成接骨板特征；
[0015] 步驟2b:接骨板特征參數(shù)的層次化定義；
[0016] 所述層次參數(shù)定義是指在基礎(chǔ)特征上將股骨曲面特征分層為全局特征層、局部特 征層、細(xì)節(jié)特征層。特征參數(shù)修改全局特征，特征線參數(shù)修改局部特征，特征線上關(guān)鍵點(diǎn)修 改細(xì)節(jié)特征。
[0017] 步驟2c:接骨板特征的遞進(jìn)式編輯；
[0018] 所述遞進(jìn)式編輯是指將特征參數(shù)從高層到底層分為高層參數(shù)、中間層參數(shù)和底層 參數(shù)，建立從底層的股骨曲面特征點(diǎn)到高層的股骨曲面特征形狀的編輯結(jié)構(gòu)，并在三層參 數(shù)間分別建立相關(guān)映射和約束關(guān)系。高層參數(shù)描述股骨曲面特征的整體形狀，中間層參數(shù) 描述股骨曲面特征線的形狀，底層參數(shù)描述股骨曲面特征點(diǎn)。
[0019] 步驟三：接骨板的系列化設(shè)計(jì)
[0020] 步驟3a :建立接骨板特征參數(shù)與多元統(tǒng)計(jì)平均股骨數(shù)學(xué)模型曲面形態(tài)參數(shù)間的 映射關(guān)系；
[0021] 步驟3b:通過參數(shù)修改實(shí)現(xiàn)接骨板的系列化設(shè)計(jì)；根據(jù)步驟3a中映射關(guān)系，通過 建立的由股骨形態(tài)參數(shù)決定的多元統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出接骨板系列化產(chǎn)品。
[0022] 本發(fā)明的有益之處在于：基于平均股骨模型的接骨板系列化設(shè)計(jì)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，為接骨板的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)提高接骨板設(shè)計(jì)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是股骨頭、股骨頸參數(shù)約束生成示意圖；
[0025] 圖3是粗隆參數(shù)約束生成示意圖；
[0026] 圖4是股骨干約束生成示意圖；
[0027] 圖5是髁部約束生成示意圖；
[0028] 圖6是股骨多參數(shù)正態(tài)分布密度函數(shù)示意圖；
[0029] 圖7是接骨板特征的遞進(jìn)式編輯示意圖；
[0030] 圖8是股骨近端系列化接骨板示意圖；
[0031] 圖9是股骨遠(yuǎn)端系列化接骨板示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體的介紹。
[0033] 參照?qǐng)D1所示，一種基于平均股骨模型的接骨板系列化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：
[0034] 步驟一：平均股骨模型的構(gòu)建
[0035] 步驟la:參數(shù)定義及其約束關(guān)系的建立。根據(jù)醫(yī)學(xué)意義對(duì)股骨曲面模型定義參數(shù) (包括主要形態(tài)參數(shù)和細(xì)節(jié)參數(shù)），并建立各參數(shù)之間的相關(guān)性。
[0036] 主要形態(tài)參數(shù)為反映股骨曲面局部形狀的參數(shù)，包括股骨頭特征參數(shù)、頸部特征 參數(shù)、粗隆特征參數(shù)、股骨干特征參數(shù)、髁部特征參數(shù)。
[0037] 細(xì)節(jié)參數(shù)主要為股骨頭