一种基于优化曲率的髓内钉设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种数字骨科技术，具体涉及一种基于优化曲率的髓内钉设计方法，本发明属于计算机辅助设计领域。
【背景技术】
[0002]股骨是人体最大的长管状骨，位于人体下肢大腿中，承担着人体上半部分所有重量，近端参与组成髋关节连接盆骨，远端参与组成膝关节连接小腿胫骨。然而，股骨病变、骨折等现象时常发生。随着计算机辅助设计、三维重建技术、医学影像技术和医学图像处理技术的结合，计算机辅助骨科手术逐步发展起来，临床治疗方法多为在患者股骨内使用髓内钉以获得坚强的固定。然而，目前髓内钉植入后其初期稳定和其后的生物学固定效果不理想，经常发生松动、下沉、旋转和塌陷等现象。有限元分析表明，髓内钉与股骨在干骺端的匹配对于整体匹配效果十分关键。在干髓端的完好匹配可使负荷力的传递更加符合生理需求，避免因植入物与骨之间界面产生切线运动而造成的植入物松动，减少应力遮挡、应力集中等问题。同时减少应力遮挡效应及其他不利于骨生长的因素。因此，结合计算机技术进行植入物设计的研宄具有重要的理论意义和广泛的临床应用价值，受到了国内外研宄学者的广泛关注。
[0003]目前，国内使用的髓内钉多为进口或者仿制国外，然而，关于东西方人股骨参数测量的实验结果表明不同种族间股骨形态参数的差异且男女之间差异很大，尤其是股骨近端解剖形态的显著性差异导致进口的植入物与国人股骨匹配性较差。在临床手术过程中，医生需要不断对植入物进行对比、塑形(弯曲裁剪等)，不仅手术时间长，效果差，而且增加了患者的疼痛程度。此外，植入物本身材质表明冷塑形会改变材质内部结构，降低材质性能。股骨髓腔是一个不规则的锥形管腔，股骨髓腔壁呈不规则的自由曲面，且股骨近端由近及远，断层的长轴呈外旋趋势，这种扭曲角度的存在势必导致在扩髓及植入物安放过程中出现旋转，导致前倾角的改变，加之目前市场髓内钉多较股骨髓腔直，导致临床手术时使得植入物与股骨髓腔完全匹配是非常困难的。因此，为使髓内钉与股骨髓腔更完好的匹配，需要根据国人股骨髓腔形态参数生产植入物。
【发明内容】
[0004]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
[0005]一种基于优化曲率的髓内钉设计方法，包括如下步骤:
[0006]步骤一:采集股骨CT图像样本并按照性别和干骺端闪烁系数将其分组，同时建立股骨曲面模型；
[0007]步骤Ia:股骨CT图像样本的采集和分组，随机抽取η例正常(无骨病史)国人单侧(左右腿随机)股骨CT扫描数据并按照性别和干骺端闪烁系数分组；
[0008]根据性别和干骺端闪烁系数对股骨样本进行分组是指先根据性别分为男女组，然后分别对男女组根据Τ+20/Τ+20的比值将股骨形态分为三类:1.8-2.0为一类，2.0-2.8为一类，2.8-3.0 为一类。
[0009]步骤Ib:建立股骨曲面模型，先采用手工分割和自动分割结合使用实现股骨分割(包括对水平面、冠状面、矢状面的操作)，再采用算法简化和平滑股骨曲面。
[0010]步骤二:选用经过股骨髓腔中心的矢状面将股骨模型分为左右两部分，并在矢状面上建立坐标系，拟合股骨髓腔中心线；
[0011]步骤2a:确定通过股骨髓腔中心的矢状面，该矢状面将股骨分为左右两部分，且股骨髓腔中心线位于矢状面上；
[0012]步骤2b:在矢状面上建立坐标系；在矢状面上建立坐标系是以干骺宽度线段中心点为坐标原点O，以矢状面内指向股骨远端的方向为X轴方向，以矢状面上垂直于X轴且指向股骨后面的方向为Y轴方向。
[0013]步骤2c:拟合股骨髓腔中心线，拟出合反映自股骨近端小转子上20mm处至股骨远端髌骨面之间的股骨髓腔中心的曲线。
[0014]步骤三:寻找反映股骨髓腔中心线曲率变化的关键点，利用关键点拟合出股骨髓腔中心线曲率函数；
[0015]步骤3a:初始化股骨髓腔中心线的分段点，对股骨髓腔中心曲线先初步等步长分为16段，并标记下每个分段点位置；
[0016]步骤3b:通过不断调整分段点寻找关键点，根据每个分段点的曲率与已设定的曲率阈值的比较判别每个分段是否进行合并或者等步长拆分，终止时保留下的点即为所寻找的关键点；
[0017]调整分段点寻找关键点是指对于每个分段计算出Λ y/ Λ X的数值。设定一个分类阈值，当Dy/Dx小于给定的分类阈值时则考虑将该分段与相邻分段中曲率最接近的段合并为一段；反之，当Ay/Λ X大于给定的分类阈值时则考虑继续将此分段一分为两段。同时，对新得到的两个分段继续进行计算Δ y/ Λ X，不断重复以上步骤直至终止。
[0018]步骤3c:建立股骨髓腔中心线曲率变化函数，根据步骤3b中寻找的关键点建立出股骨髓腔中心线曲率变化函数。股骨髓腔中心线曲率变化函数反映股骨髓腔曲率变化，由离散的点组成，记为Y (X)。
[0019]步骤四:根据股骨髓腔中心线曲率函数设计髓内钉曲率，同时虚拟手术模拟髓内钉插入过程中的应力测试，微调部分关键点处曲率，最终设计出与步骤一中各个分组相符的髓内钉。
[0020]步骤4a:根据步骤3c中建立的股骨髓腔中心线曲率函数，设计与股骨髓腔曲率相符合的髓内钉；
[0021]步骤4b:虚拟手术模拟髓内钉插入骨髓腔的过程，进行应力测试并微调部分关键点处曲率，最终设计出与步骤Ia中各个分组相符的髓内钉。
[0022]本发明的有益之处在于:基于优化曲率的髓内钉设计方法，应用于医学骨科手术与医药器材制造领域，为髓内钉的设计提供科学依据，对提高植入物设计效率和手术质量具有重要意义。
【附图说明】
[0023]图1是本发明的原理图；
[0024]图2是股骨样本干骺端闪烁系数分布示意图；
[0025]图3是股骨样本分组示意图；
[0026]图4是选取反映股骨髓腔变化曲率范围示意图；
[0027]图5是建立股骨曲率变化函数示意图；
[0028]图6是根据虚拟手术重新调整股骨曲率。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0030]参照图1所示，一种基于优化曲率的髓内钉设计方法，包括如下步骤:
[0031]步骤一:采集股骨CT图像样本并按照性别和干骺端闪烁系数将其分组，同时建立股骨曲面模型；
[0032]步骤Ia:股骨CT图像样本的采集和分组，随机抽取η例正常(无骨病史)国人单侧(左右腿随机)股骨CT扫描数据并按照性别和干骺端闪烁系数分组；
[0033]参照图2、图3所示，所述根据性别和干骺端闪烁系数对股骨样本进行分组是指先根据性别分为男女组，然后分别对男女组根据Τ+20/Τ+20的比值将股骨形态分为三类:
1.8-2.0 为一类，2.0-2.8 为一类，2.8-3.0 为一类。
[0034]步骤Ib:建立股骨曲面模型，先采用手工分割和自动分割结合使用实现股骨分割(包括对水平面、冠状面、矢状面的操作)，再采用算法简化和平滑股骨曲面。
[0035]步骤二:选用经过股骨髓腔中心的矢状面将股骨模型分为左右两部分，并在矢状面上建立坐标系，拟合股骨髓腔中心线；
[0036]步骤2a:确定通过股骨髓腔中心的矢状面，该矢状面将股骨分为左右两部分，且股骨髓腔中心线位于矢状面上；