一種基于語義參數(shù)的接骨板貼合面設(shè)計方法?

鄒澤宇，張榮麗

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022）

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一種基于語義參數(shù)的接骨板貼合面設(shè)計方法?

鄒澤宇，張榮麗

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022）

為了解決接骨板的快速設(shè)計問題，課題組提出一種基于參數(shù)化技術(shù)的接骨板設(shè)計方法及一種基于語義參數(shù)的接骨板貼合面設(shè)計方法，該方法利用特征點將接骨板標定為具有醫(yī)用意義的實體特征單元。首先，結(jié)合醫(yī)學(xué)醫(yī)用需求，從重構(gòu)的點云骨骼模型中獲取感興趣區(qū)域，構(gòu)成貼合面特征區(qū)域；其次，構(gòu)建設(shè)計特征點、線與參數(shù)間的約束關(guān)系，并通過輪廓線蒙皮等操作創(chuàng)建貼合面的特征曲面；最后，以特征曲面為輸入，設(shè)置厚度參數(shù)，生成接骨板實體模型。實驗以T型接骨板為實例進行驗證，實驗表明該方法能夠通過語義參數(shù)快速構(gòu)建接骨板，為接骨板的快速設(shè)計提供了一種新方法。

接骨板；感興趣區(qū)域；曲面特征；曲面重構(gòu)；語義參數(shù)；快速設(shè)計

1 引 言

隨著數(shù)字骨科［1］的發(fā)展，骨科植入物設(shè)計正逐步由簡單系列化設(shè)計向快速設(shè)計拓展。骨科植入物的應(yīng)用已經(jīng)歷經(jīng)一個多世紀的發(fā)展，成為治療骨骼受損的必要手段之一。最常見的骨科植入物有：接骨板、髓內(nèi)釘、鋼針等，其中接骨板的設(shè)計是植入物設(shè)計的核心［2-3］。目前，骨科廣泛使用的內(nèi)固定接骨板是醫(yī)療器械廠批量生產(chǎn)的通用型接骨板，而人類骨骼的形態(tài)、大小卻存在差異，并且骨折的類型更是千差萬別，因此，系列化通用型接骨板不能很好滿足具體骨折部位的形態(tài)學(xué)等方面的要求。但在個性化接骨板定制方面，由于設(shè)計制造周期長，成本高，難以被廣大患者使用。

目前，植入物設(shè)計方法是以骨骼模型三維網(wǎng)格模型為基礎(chǔ)，使用現(xiàn)有商業(yè)CAD軟件和大量的人機交互進行設(shè)計實現(xiàn)，該方法費時費力，設(shè)計結(jié)果并不能令人滿意，尤其在貼合性上。系列化接骨板的使用存在手術(shù)過程費事費力，過渡依賴臨床經(jīng)驗，手術(shù)效果、醫(yī)患交流不暢等缺點。近幾年，盧秉恒院士等［4］從工程加工角度上總結(jié)了快速成型技術(shù)在人工假體等制造技術(shù)上的應(yīng)用，為我國在數(shù)字骨科領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。任龍韜等［5］采用CT原始數(shù)據(jù)實現(xiàn)骨折的模擬復(fù)位及個性化解剖型接骨板的三維實體模型的創(chuàng)建。宋衛(wèi)衛(wèi)等［6］提出了基于CT圖像的反求技術(shù)，實現(xiàn)了缺損骨骼模型的修復(fù)與重建方法。Arnone等［7］提出了采用基于有限元分析的計算機輔助仿真模型指導(dǎo)骨科植入物的設(shè)計方法。R.Neto等［8］從設(shè)計的角度先基于骨骼表面生成接骨板的大致形狀，并對其進行修剪生成符合患者所需形狀模型，實現(xiàn)術(shù)前規(guī)劃。Kozic等［9］采用基于水平集的統(tǒng)計形狀分析方法實現(xiàn)了骨科植入物的優(yōu)化設(shè)計。Pendergast［10］等提出了基于有限元模擬的鎖骨固定接骨板參數(shù)分析方法，并且分析了接骨板厚度對其剛度結(jié)構(gòu)的影響。M.Grujici［11］通過使用肌肉骨骼模型的建模，達到植入物的優(yōu)化設(shè)計。上述成果在一定程度上促進了數(shù)字化植入物設(shè)計與制造的研究發(fā)展。然而，至今將曲面特征與參數(shù)化技術(shù)融入到植入物設(shè)計上鮮有報道，從而影響了植入物的設(shè)計效率。考慮到曲面特征技術(shù)具有支持高層語義參數(shù)的設(shè)置，易于曲面的編輯修改等優(yōu)點，是一種有效的接骨板設(shè)計方法。

相對于傳統(tǒng)的植入物設(shè)計方法，本課題組引入曲面特征技術(shù)，曲面特征參數(shù)化［12-14］設(shè)計方法屏蔽了大量的底層信息，支持少量具有特定語義的高層參數(shù)，以實現(xiàn)接骨板曲面的定義與修改。并將曲面特征參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用于植入物設(shè)計，主要包括：基于骨骼模型獲取接骨板貼合面；利用曲面特征技術(shù)實現(xiàn)貼合面的參數(shù)配置；通過設(shè)置厚度參數(shù)實現(xiàn)接骨板實體的構(gòu)建。

2 參數(shù)化接骨板構(gòu)建流程

為實現(xiàn)接骨板參數(shù)化設(shè)計，課題組提出了一種基于參數(shù)的接骨板快速設(shè)計方法，其主要流程如圖1所示。

圖1 基于特征的植入物設(shè)計流程

首先結(jié)合醫(yī)學(xué)醫(yī)用需求，基于骨骼模型獲取感興趣區(qū)域［15］，將該區(qū)域定義為貼合曲面，并繪制該區(qū)域的邊界線與內(nèi)部約束線作為植入物的輪廓線；其次，在貼合曲面上定義特征點、線以及參數(shù)間的約束關(guān)系，通過輪廓線以蒙皮等方式重構(gòu)曲面，對重構(gòu)的貼合曲面設(shè)置語義參數(shù)并作為曲面特征；最后通過設(shè)置厚度參數(shù)生成接骨板實體特征。

3 曲面特征的定義

植入物設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是貼合面的構(gòu)建，其中，植入物貼合面的特征化是植入物特征設(shè)計的重要內(nèi)容。曲面特征化的核心是曲面形狀的參數(shù)化表示，該方法基于特征的思想，將曲面特征化分為曲面重構(gòu)以及特征參數(shù)化兩部分。

在曲面重構(gòu)方面，主要通過特征線實現(xiàn)對自由曲面的特征表達，特征線的定義是曲面重構(gòu)的重點。曲面重構(gòu)的基礎(chǔ)是表達自由曲面信息的特征線（邊界線與內(nèi)部約束線）。包括以下步驟：首先，在骨骼模型上定義出感興趣區(qū)域的邊界線和內(nèi)部約束線，如圖2（a，b，c）所示；其次，基于這些特征線，利用曲面生成方式（如蒙皮、覆蓋）生成一個全新的、獨立的CAD曲面，為接骨板的貼合面，如圖2（d，e）所示；然后，在生成曲面的特征線上定義特征點，這些特征點用于定義高層語義參數(shù)。

圖2 T型接骨板貼合面重構(gòu)

特征參數(shù)化，其重點在于如何通過定義少量具有特定語義的高層參數(shù)來實現(xiàn)曲面的定義與修改。本方法將曲面特征的參數(shù)劃分為層次結(jié)構(gòu)：高層語義參數(shù)描述曲面特征的整體形狀，如圖3（d），中間層參數(shù)描述曲面特征線的形狀，如圖3（c），底層參數(shù)則描述曲面、曲線的特征點，如圖3（a，b）。此方法將曲面的特征線作為中間過渡層，建立與其他層之間的相關(guān)聯(lián)系，屏蔽大量的底層信息，通過少量的高層語義參數(shù)來實現(xiàn)對曲面特征的修改以及編輯。

圖3 T型接骨板貼合面層次化

4 貼合面構(gòu)建及其參數(shù)化

接骨板的設(shè)計不僅需要實現(xiàn)接骨板與骨骼較好匹配，避免出現(xiàn)鋼板及螺釘松動、斷裂，而且需要預(yù)留接骨板與骨骼之間間隙，保證神經(jīng)纖維以及血管細胞的生長［16］，促進骨頭受損處的術(shù)后恢復(fù)，因此，接骨板貼合面的構(gòu)建是接骨板構(gòu)建的核心。

為了避免骨骼類型的差異，課題組將采用江蘇地區(qū)身高在155-175mm之間的正常成人股骨、脛骨預(yù)處理平均骨骼模型［17］，結(jié)合醫(yī)用需求構(gòu)建參數(shù)化接骨板的貼合面，并采用特征點、特征線相結(jié)合的方式實現(xiàn)貼合面的重構(gòu)，具體步驟如下：

圖4 植入物曲面參數(shù)化構(gòu)建

Step 1.導(dǎo)入平均骨骼模型，選取局部區(qū)域范圍，在骨骼模型的感興趣區(qū)域［20］上繪制所需接骨板的邊界線，如圖4（a）所示。

Step 2.選定特定點并定義為特征點，構(gòu)建內(nèi)部特征線；通過特征點，實現(xiàn)特征線的形狀修改。如圖4（b，c）所示。

Step 3.重構(gòu)曲面區(qū)域作為貼合面，通過覆蓋或蒙皮等生成方式生成骨骼模型的貼合曲面，最后形成一個獨立曲面，如圖4（d）所示。其中，邊界線確定曲面的范圍，內(nèi)部約束線決定曲面的基本形狀。

Step 4.結(jié)合醫(yī)用需求［18］，在重構(gòu)的貼合面上定義語義參數(shù)，并建立語義參數(shù)與貼合面直接的映射關(guān)系，實現(xiàn)通過語義參數(shù)完成對接骨板貼合面的參數(shù)修改與編輯，如圖4（e）所示。

5 參數(shù)約束定義與實體生成

通過高層語義參數(shù)的定義實現(xiàn)接骨板實體快速設(shè)計，其關(guān)鍵問題是建立曲面特征參數(shù)P間的映射關(guān)系μ，參數(shù)間的映射關(guān)系見前期工作［14］。參數(shù)的定義建立在特征點基礎(chǔ)上，如圖7（a）所示，映射關(guān)系μ是建立在參數(shù)間上的動態(tài)變化。

曲面特征參數(shù)：P＝｛L，W1，W2，W3，α｝，L表示植入物接骨板的整體長度，W1，W2，W3表示其關(guān)鍵位置寬度，α表示接骨板在其上端部分的彎曲度，如圖7（a）所示；最后將其重構(gòu)的曲面通過等厚參數(shù)（拉伸）得到接骨板實體［19］，如圖7（b）所示。

映射關(guān)系：μ表示曲面特征參數(shù)間的映射關(guān)系，如：

圖7 特征參數(shù)的定義

5 實例與分析

實驗建立在VC2008+CAA+RADE的集成開發(fā)平臺之上，實例利用C++對CAA進行二次開發(fā)。圖8（b）為脛骨近端T型接骨板，先設(shè)計貼合面的曲面特征與設(shè)置特征參數(shù)，支持曲面特征參數(shù)編輯修改，如圖8所示；再設(shè)計接骨板的實體特征。設(shè)計好一種正T型接骨板后，設(shè)置曲面特征參數(shù)，生成多個變形的T型接骨板（正T型、斜T型、L型）。其中，L1，L為長度，α為偏離原始位置的角度，W1、W2、W3為寬度，T為下部分偏離中間位置的距離。對其曲面參數(shù)化P＝｛L1，L，W1，W2，W3，T｝，通過調(diào)整曲面參數(shù)P、映射關(guān)系μ，對區(qū)域曲面參數(shù)編輯修改生成多樣化適應(yīng)性的接骨板。在CATIA主窗口中顯示參數(shù)化界面、接骨板以及骨骼模型，如圖8（a）所示。

圖8 調(diào)整曲面參數(shù)生成的接骨板

圖9所示為肱骨近端的接骨板個性設(shè)計。通過調(diào)整曲面特征參數(shù)P、映射關(guān)系μ，對區(qū)域曲面參數(shù)編輯修改生成多樣化的適應(yīng)性接骨板。

圖9 肱骨近端接骨板設(shè)計

此方法是一種基于參數(shù)化技術(shù)的接骨板快速構(gòu)建方法，該方法能夠支持接骨板的系列化設(shè)計以及個性化。將該方法與已有的接骨板設(shè)計方法進行比較，如表1所示。

表1 接骨板設(shè)計方法比較

7 結(jié)束語

由于人體骨骼表面形狀的復(fù)雜性和個體差異性，課題組提出了一種基于參數(shù)的接骨板快速設(shè)計方法。與現(xiàn)有方法相比，本方法具有以下特點：①提出了接骨板貼合面參數(shù)化特征設(shè)計方法，通過高層語義參數(shù)表示接骨板曲面模型，實現(xiàn)快速設(shè)計；②提取了曲面特征信息，實現(xiàn)接骨板貼合面的重構(gòu)；③構(gòu)建了貼合面與實體模型間的參數(shù)約束關(guān)系，便于用戶直觀地構(gòu)建和編輯接骨板實體模型。下一步工作是研究不等厚設(shè)計接骨板實體，優(yōu)化接骨板模型的質(zhì)量，提高個性化植入物設(shè)計的質(zhì)量與效率。

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Design of Orthopedic Plate Surface Based on Semantic Parameters

Zou Zeyu，Zhang Rongli
（College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

In order to improve the rapid design of orthopedic plate，a method based on semantic parameters is proposed，tagging the plates as the surface feature unitswithmedical significance by surface feature points.Specifically，first，combining requirements of medical anatomy，the interest area is obtained from reconstructed point-clouds skeleton model to extract the abutted surface of orthopedic plate；Second，the relationship between the parameters of the feature point and the line are defined，and the feature surface is created by skinning the contour and other operations；Finally，the surface feature used as input，the parametric CAD model of plate is constructed by performing a serial of modeling operation.The experiment result shows that it can rapidly design the parameterized orthopedic plate and provide a new method for rapid design of orthopedic plate.

Orthopedic plate；Surface feature；Region of interest；Surface reconstruction；Semantic parameters；Rapid design

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.007

TP391.7

A

1002-2279（2016）06-0024-06

國家自然科學(xué)基金（61472118）；江蘇省科技支撐計劃（BE2014048）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目（BK20141158）

鄒澤宇（1992-），男，江西省撫州市人，碩士研究生，主研方向：CAD＆CG。

2016-05-10