面向3D打印的定制化接骨板结构件便捷设计方法与流程

本发明涉及一种计算机辅助医疗器械制造方法，具体涉及面向3d打印的定制化接骨板结构件便捷设计方法，属于计算机辅助设计技术领域。

背景技术：

近年来，随着我国人口老龄化程度的不断加深，人们医疗观念的不断更新，以及医疗保险覆盖范围的不断拓宽，我国对骨科植入物(特别是接骨板)的需求持续上升。然而，目前市场上大多数接骨板仍然遵循着批量设计、流水线生产的模式，型号有限，虽然可以满足多数患者的治疗需求，但是无法满足处于人群分布偏两端的患者。可见，根据患者原生骨骼的解剖特征进行个性化定制，制造出与原生骨骼具有理想贴合性的接骨板尤为迫切，这也是未来创伤骨科的重要发展方向。

3d打印技术是医疗器械制造领域的新兴技术，具有自由成型、全数字化、无需模具、周期短等特点，在制造具有多孔、复杂微观结构的接骨板方面较传统的制造技术有独特的优势。在接骨板定制化过程中，接骨板的设计是重要环节，涉及大量医工交互，需要医生和工程师共同参与。骨科医生根据患者病情，拟定治疗方案，将所需接骨板的形状、尺寸等信息提供给工程师，之后工程师建接骨板模型，并反复向骨科医生确认。接骨板需求分析对于有着丰富临床经验的骨科医生而言十分容易，对于工程师而言却十分困难。接骨板模型的设计对于有着熟练专业素养的工程师而言是常规性工作，而对于骨科医生而言却十分困难。因此，在骨科医生和工程师的沟通中，经常会出现沟通偏差或者误解，延长接骨板定制周期。

为了缩短定制化接骨板设计周期，本发明结合模型参数化设计方法，给出面向3d打印的定制化接骨板结构件便捷设计方法。本发明将原本属于工程师的接骨板结构件设计工作转交给骨科医生，使得骨科医生可以便捷设计适用于个体患者的定制化接骨板模型，进而缩短医工交互时间，对提高接骨板设计效率、缩短接骨板的定制周期有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供面向3d打印的定制化接骨板结构件便捷设计方法，该方法可为个体患者设计符合其自身解剖特征和骨折类型的接骨板，具有便捷、高效等特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

面向3d打印的定制化接骨板结构件便捷设计方法，包括如下步骤：

步骤一：根据市场上现有接骨板型号，构建接骨板结构件的参数化模型，并提取其特征，建立特征数据库；

步骤二：采集患者骨骼解剖特征，获取所需接骨板贴合面的边界特征向量和曲面特征向量，并从步骤一的特征数据库中检索出高相似度的接骨板结构件模型；

步骤三：对步骤二中检索到的接骨板结构件模型作修正处理，之后经定位销连接后制造定制化接骨板模型。

步骤一包括：

步骤1a：参考市场上现有接骨板，通过三维建模技术分别构建接骨板特殊结构件和规则结构件的三维模型；

步骤1b：在步骤1a中特殊结构件和规则结构件的分割面分别构建连接孔；

步骤1c：对步骤1b中的特殊结构件和规则结构件分别设置其语义参数；

步骤1d：分别提取步骤1c中特殊结构件和规则结构件贴合面的特征向量，即贴合面的边界特征向量和曲面特征向量，并将两者的融合特征向量加入特征数据库。

步骤二包括：

步骤2a：获取由骨科医生绘制的接骨板特殊结构件和规则结构件的贴合面边界草图，并对其作轮廓提取、等点采样，生成接骨板贴合面边界草图的边界特征向量；

步骤2b：获取骨科医生根据患者骨骼解剖特征所确定的所需接骨板贴合面曲面特征向量；

步骤2c：采用特征动态融合方法，在步骤1d的特征数据库中检索出与所需接骨板相似最高的接骨板结构件模型；

步骤2d：根据步骤2c中检索模型与患者骨骼的匹配度，建立并更新特征融合知识库。

步骤三包括：

步骤3a：根据步骤2d中的匹配度评价值，对步骤2c中检索到的接骨板特殊结构件和规则结构件分别作语义参数调整，得到修正模型；

步骤3b：用步骤3a中修正模型的新特征更新步骤1d中的特征数据库；

步骤3c：采用定位销连接步骤3a中修正模型的特殊结构件和规则结构件，之后将其输入到3d打印机，制造定制化接骨板结构件。

步骤1a中所述的特殊结构件和规则结构件，是接骨板的重要构件，特殊结构件通常指，贴附于骨骼具有解剖意义部位的部分；规则结构件通常指，贴附于无特定解剖意义部位的部分，通常起到支撑固定作用。

步骤1d中所述特殊结构件和规则结构件贴合面的边界特征向量是指，对接骨板结构件的贴合面，即依附于骨骼的面，提取其轮廓线，经过等点采样抽取特征点之后生成的特征向量；特殊结构件和规则结构件贴合面的曲面特征向量是指，在贴合面曲面s(u,v)上以等u，v参数上获取的采样点生成的特征向量；融合特征向量是指，接骨板边界草图的边界特征向量和接骨板贴合面曲面特征向量的加权和。

步骤2c中所述特征动态融合检索的具体方法，指的是，先计算步骤2a中接骨板贴合面边界草图的特征向量与步骤2b中接骨板贴合面曲面特征向量的融合特征向量，之后计算融合特征向量与步骤1d中特征向量的距离，输出与接骨板草图相似度最高的接骨板结构件模型。

步骤2d中，特征融合知识库，是指，每进行一次检索时，为接骨板贴合面边界草图的特征向量和接骨板贴合面曲面特征向量分别分配的权值构成的知识库。该特征融合知识库可以建立在初始知识库的基础之上，在经过一定次数的迭代之后会趋于稳定。

所述检索模型与患者骨骼的匹配度，是指，检索模型的贴合面与患者骨骼表面的相似性度量值。

本发明应用于医疗器材制造领域，结合模型参数化方法，将原本属于工程师的接骨板结构件设计工作部分转交给骨科医生，使得骨科医生可以便捷地设计适用于个体患者骨骼的定制化接骨板模型，缩短了医工交互时间，对提高接骨板设计效率、缩短接骨板的定制周期有重要意义。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是接骨板特殊构件和规则构件的语义参数设置示意图；

图3是接骨板特殊构件和规则构件的特征表示；

图4是接骨板结构件特征动态融合检索方法示意图；

图5是定制化接骨板生成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，面向3d打印的定制化接骨板结构件便捷设计方法，包括如下步骤：

步骤一：根据市场上现有接骨板型号，构建接骨板结构件的参数化模型，并提取其特征，建立特征数据库；

步骤一包括：

步骤1a：参考市场上现有接骨板，通过三维建模技术分别构建接骨板特殊结构件和规则结构件的三维模型；

如图2(a)所示，所述的特殊结构件和规则结构件，是接骨板的重要构件，特殊结构件通常指，贴附于骨骼具有解剖意义部位的部分；规则结构件通常指，贴附于无特定解剖意义部位的部分，通常起到支撑固定作用。

步骤1b：在步骤1a中特殊结构件和规则结构件的分割面分别构建连接孔；

步骤1c：对步骤1b中的特殊结构件和规则结构件分别设置其语义参数；

所述语义参数是指，对接骨板结构件设置若干能够反应接骨板形状和尺寸的参数，如长度、宽度、角度、厚度，以及固定孔(包括接骨板固有的用于骨折固定的螺孔和步骤1b中的连接孔)的中心位置、直径、深度等。

接骨板特殊结构件参数配置，包括贴合面参数、实体参数和分割面参数，具体如下：

贴合面参数：上段宽度w1.1，中部宽度w1.2，下段宽度w1.3，角度α，前侧延长度l1.2和后侧延长度l1.3。

实体参数：厚度h1.1，固定孔中心o1.i(i＝1,2,…,5)，固定孔直径分割面参数：连接孔中心f1.i(i＝1,2)，连接孔直径连接孔深度d1

接骨板规则结构件参数配置，包括贴合面参数、实体参数和分割面参数，具体如下：

贴合面参数如下：上端宽度w2.1，中部宽度w2.2，下端宽度w2.3，上段长度l2.1和下段长度l2.2。

实体参数：厚度h2.1，固定孔中心o2.i(i＝1,2,…,7)，固定孔直径

分割面参数：连接孔中心f2.i(i＝1,2)，连接孔直径连接孔深度d2。

为了便于方便后期实现接骨板特殊构件和规则构建的连接，规定f1.i＝f2.i(i＝1,2)。

步骤1d：分别提取步骤1c中特殊结构件和规则结构件贴合面的特征向量，即接骨板贴合面的边界特征向量和曲面特征向量，并将两者的融合特征向量加入特征数据库；

如图3所示，所述特殊结构件和规则结构件贴合面的边界特征向量是指，对接骨板结构件的贴合面，即依附于骨骼的面，提取其轮廓线，经过等点采样抽取特征点之后生成的特征向量；特殊结构件和规则结构件贴合面的曲面特征向量是指，在贴合面曲面s(u,v)上以等u，v参数上获取的采样点生成的特征向量；融合特征向量是指，接骨板边界草图的边界特征向量和接骨板贴合面曲面特征向量的加权和。

其中，s(u,v)代表贴合面曲面，u，v分别代表贴合面曲面上的两个维度。

步骤二：采集患者骨骼解剖特征，获取所需接骨板的边界特征向量和曲面特征向量，并从步骤一的特征数据库中检索出高相似度的接骨板结构件模型；

如图4所示，步骤二包括：

步骤2a：获取由骨科医生绘制的接骨板特殊结构件和规则结构件的贴合面边界草图，并对其作轮廓提取、等点采样，生成接骨板贴合面边界草图的边界特征向量；

步骤2b：获取骨科医生根据患者骨骼解剖特征所确定的所需接骨板贴合面曲面特征向量；

步骤2c：采用特征动态融合方法，在步骤1d的特征数据库中检索出与所需接骨板相似最高的接骨板结构件模型；

所述特征动态融合检索的具体方法，指的是，先计算步骤2a中接骨板贴合面边界草图的边界特征向量与步骤2b中接骨板贴合面曲面特征向量的融合特征向量，之后计算融合特征向量与步骤1d中特征向量的距离，输出与接骨板草图相似度最高的接骨板结构件模型。

步骤2d：根据步骤2c中检索模型与患者骨骼的匹配度，建立并更新特征融合知识库。

所述特征融合知识库，是指，每进行一次检索时，为接骨板贴合面的边界草图的边界特征向量和接骨板贴合面曲面特征向量分别分配的权值构成的知识库。该特征融合知识库可以建立在初始知识库的基础之上，在经过一定次数的迭代之后会趋于稳定。

所述检索模型与患者骨骼的匹配度，是指，检索模型的贴合面与患者骨骼表面的相似性度量值。

步骤三：对步骤二中检索到的接骨板结构件模型作修正处理，之后经定位销连接后制造定制化接骨板模型。

如图5所示，步骤三包括：

步骤3a：根据步骤2d中的匹配度评价值，对步骤2c中检索到的接骨板特殊结构件和规则结构件分别作语义参数调整，得到修正模型；

步骤3b：用步骤3a中修正模型的新特征更新步骤1d中的特征数据库；

步骤3c：采用定位销连接步骤3a中修正模型的特殊结构件和规则结构件，之后将其输入到3d打印机，制造定制化接骨板结构件。

所述定位销，指的是，定位销的两端直径分别等于步骤1b中特殊结构件的直径和规则结构件连接孔的直径其长度d3.1不超过步骤1b中特殊结构件连接孔和规则结构件连接孔的深度之和d1+d2。为了方便定位销插入接骨板结构件的连接孔，选择具有一定倒角β的定位销。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。