一種參數化股骨模板的構建方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種數字股骨建模技術，具體涉及一種參數化股骨模板的構建方法，本發明屬于計算機輔助設計領域。
【背景技術】
[0002]隨著計算機數字技術和醫學成像技術的迅速發展，計算機輔助骨科手術成為發展最為迅速的領域。利用相關的計算機技術進行骨科植入物和假體設計的研宄與應用在國內外受到廣泛重視。股骨的病變與骨折是外科手術中最常見病例之一，其結構復雜性和形態不規則性是數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掃描獲取樣本數據，導入數據重建基于點云或者網格的數據模型，其次對點云或網格使用幾何方法進行優化處理，最后生成股骨模型。其缺點主要包括:計算量大，缺乏高層語意，難以表示股骨各部分之間關系，對于股骨缺損部位無法精確重建。
【發明內容】
[0003]為了解決現有技術中存在的不足，本發明提供了一種參數化股骨模板的構建方法，基于醫學特征參數自動創建參數化股骨模板，能夠通過參數直觀、準確地表示股骨曲面形態，能夠基于參數的修改生成一系列多樣化股骨模型，對骨科手術中患者接骨板個性化設計有重要意義。
[0004]為解決上述問題，本發明具體采用以下技術方案:
[0005]一種參數化股骨模板的構建方法，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，創建局部曲面模型，設計過渡曲面特征，光滑連接相鄰局部曲面模型，構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:設計股骨參數，根據參數與局部曲面模型的關聯性，實現調整單一參數修改局部曲面形態的功能；
[0008]步驟3:根據股骨參數間相關性，確定各局部曲面間聯系，設計主體參數、細節參數，創建參數化股骨模板。
[0009]前述的一種參數化股骨模板的構建方法，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、蒙皮與填充相結合的方式創建局部曲面模型；
[0011]步驟lb，設計過渡曲面特征，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中全局曲面模型進行誤差分析，通過調整步驟Ia中輪廓線，提高局部曲面模型和全局曲面模型的精度。
[0013]前述的一種參數化股骨模板的構建方法，其特征在于，所述步驟2包括以下步驟:
[0014]步驟2a，設計股骨參數，所述參數包括近端參數和遠端參數；
[0015]步驟2b，根據步驟2a中設計的近端參數、遠端參數與步驟Ia中局部曲面模型的關聯性，調整近端或遠端參數修改局部曲面形態。
[0016]前述的一種參數化股骨模板的構建方法，其特征在于，所述步驟3包括以下步驟:
[0017]步驟3a，根據步驟2a中股骨參數間的相關性，確定步驟Ia中局部曲面間關聯，設計主體參數，創建參數化股骨模板；
[0018]步驟3b，增加細節參數以進一步提高參數化股骨模板的曲面細節質量，優化步驟3a中參數化股骨模板。
[0019]前述的一種參數化股骨模板的構建方法，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、大轉子部分、股骨干部分、遠端髁部，股骨頭部基于半球方式創建，頸部、大轉子部分、股骨干部分、遠端髁部使用蒙皮、填充或者二者相結合的方式創建。
[0020]前述的一種參數化股骨模板的構建方法，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成的表示完整股骨形態的曲面組合。
[0021]前述的一種參數化股骨模板的構建方法，其特征在于，所述步驟2的步驟2a中，所述近端參數包括頭半徑大小(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，小轉子點與股骨干上端軸線所在平面與小轉子下20mm出截面線的兩交點間距離)、股骨頭高度(C7，即股骨頭球心到小轉子所在截面的垂直距離)。所述遠端參數包括:股骨長度(Al，即大轉子最高點至髁部最低點的垂直距離)、髁上軸長度(BI，即髁部最內側和最外側兩點間距離)、外髁高度(B2，即前髁線外側頂點到后髁線與股骨干軸線方向所構成的平面的垂直距離)、內髁高度(B3，即前髁線內側頂點到后髁線與股骨干軸線方向所構成的平面的垂直距離)、前髁線長度(B4，即前髁內外側兩最高點間距離)、后髁線長度(B5，即后髁內外側兩最高點間距離)、外髁傾角角度(B6，即前髁外側點與后髁外側點間連線與后髁線的夾角)、內髁傾角角度(B7，即前髁內側點與后髁內側點間連線與后髁線的夾角)、滑車溝高度(B8，即滑車溝頂點到后髁線與股骨干軸線方向所構成的平面的垂直距離)、滑車溝角角度(B9，即前髁外側點、滑車溝點、前髁內側點三點間夾角)、橫徑長度(B10，即髁上軸在后髁線上的投影距離)。
[0022]前述的一種參數化股骨模板的構建方法，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的參數包括股骨長度(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]前述的一種參數化股骨模板的構建方法，其特征在于，所述步驟3的步驟3a中，所述股骨參數間的相關性通過相對平均模型構建，所述主體參數為股骨長度(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)，所述局部曲面間關聯為當參數調整時，與參數相對應的局部曲面中的相關曲面同時變形。
[0024]前述的一種參數化股骨模板的構建方法，其特征在于，所述步驟3的步驟3b中，所述細節參數包括滑車溝高度(B8)、頸干角角度(C2)、T-20橫徑長度(C6)。
[0025]本發明的有益效果:本發明提供的一種參數化股骨模板的構建方法，基于參數化模板自動創建股骨曲面模型，系統運行效率高，同時支持股骨曲面的個性化設計。本發明應用于醫學骨科手術與醫藥器材制造領域，能夠通過參數直觀、準確地表示股骨曲面形態，指導針對患者股骨特征的個性化接骨板設計，對模擬手術和提高手術效果具有重要意義。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明中一種參數化股骨模板的構建方法流程圖；
[0027]圖2是本發明中股骨曲面創建過程示意圖；
[0028]圖3是本發明中股骨近端參數化識別示意圖；
[0029]圖4是本發明中股骨遠端參數化識別示意圖；
[0030]圖5是本發明中局部參數對股骨曲面的影響對比示意圖；
[0031]圖6是本發明中增加細節參數前后股骨曲面模型對比示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0033]如圖1所示，一種參數化股骨模板的構建方法，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，創建局部曲面模型，設計過渡曲面特征，光滑連接相鄰局部曲面模型，構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:設計股骨參數，根據參數與局部曲面模型的關聯性，調整股骨參數中的單一參數修改局部曲面形態；
[0036]步驟3:根據股骨參數間相關性，確定各局部曲面間聯系，設計主體參數、細節參數，創建參數化股骨模板。
[0037]具體的，首先，基于股骨各局部樣條輪廓線，創建局部曲面模型，設計過渡曲面特征，光滑連接相鄰局部曲面模型，構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、蒙皮與填充相結合的方式創建局部曲面模型；
[0039]步驟lb，設計過渡曲面特征，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中全局曲面模型進行誤差分析，通過調整步驟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，對股骨進行參數化設計，確定各參數與局部曲面模型的關聯性，實現通過單一參數的變化調整局部曲面形態，包括以下步驟:
[0042]步驟2a，設計股骨參數，對股骨近端和遠端曲面特征進行參數化設計，所述參數包括近端參數和遠端參數，近端參數包括頭半徑大小(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)，所述遠端參數包括股骨長度(Al)、髁上軸長度(BI)、外髁高度(B2)、內髁高度(B3)、前髁線長度(B4)、后髁線長度(B5)、外髁傾角角度(B6)、內髁傾角角度(B7)、滑車溝高度(B8)、滑車溝角角度(B9)、橫徑長度(BlO)；
[0043]步驟2b，根據步驟2a中設計的近端參數、