一種以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種曲面特征設(shè)計(jì)技術(shù)，具體涉及一種以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(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]膝關(guān)節(jié)是人體結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，運(yùn)動功能要求高。近年來，膝關(guān)節(jié)內(nèi)的骨性病變(如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、骨性關(guān)節(jié)炎、腫瘤等)發(fā)病率呈上升趨勢，這嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，同時(shí)也是骨科醫(yī)學(xué)需要攻破的一大難點(diǎn)。對病情較嚴(yán)重的患者，臨床上多采用人工全膝關(guān)節(jié)置換的方案進(jìn)行康復(fù)治療。因此，膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)的合理性對于假體置換后的近期及長期穩(wěn)定效果有著尤為關(guān)鍵的作用。然而，目前國內(nèi)使用的膝關(guān)節(jié)假體多為進(jìn)口和仿制國外，且普遍適用于男性而不適用于女性。這主要是因?yàn)橄リP(guān)節(jié)假體參數(shù)設(shè)計(jì)的核心主要體現(xiàn)在股骨遠(yuǎn)端髁上，而股骨遠(yuǎn)端髁參數(shù)之間存在顯著的性別差異(當(dāng)前后徑相同的情況下，女性橫徑較男性小)。具體表現(xiàn)為:對女性患者而言，當(dāng)選擇與股骨髁前后徑相匹配的假體時(shí)，假體懸出內(nèi)外側(cè)髁骨面，這嚴(yán)重影響軟組織平衡；當(dāng)選擇與股骨髁橫徑相匹配的假體，假體前后徑偏小，這必須對股骨前髁或者后髁進(jìn)行截骨。
[0003]同時(shí)，人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)的精確性對于醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)和手術(shù)方案的確定有著至關(guān)重要的影響。股骨髁關(guān)節(jié)面三維形態(tài)知識的精確獲取是膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提。因此，假體設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格遵循國人膝關(guān)節(jié)生理構(gòu)造和解剖參數(shù)，同時(shí)，股骨髁關(guān)節(jié)面參數(shù)的測量及假體的設(shè)計(jì)均需考慮性別差異。由于股骨髁關(guān)節(jié)面形態(tài)學(xué)知識的獲取與與其曲面特征有很大的關(guān)聯(lián)性，且股骨髁關(guān)節(jié)面解剖形態(tài)復(fù)雜，傳統(tǒng)的采用點(diǎn)、線、面對股骨遠(yuǎn)端髁曲面特征的幾何屬性描述的方法存在一定的缺點(diǎn)(點(diǎn)缺少對整體形狀的描述，面又存在冗余問題)，因此，必須尋找一種新的股骨髁關(guān)節(jié)面的特征定義和表達(dá)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決在股骨髁關(guān)節(jié)面造型技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(shè)計(jì)方法，以特征線為基本元素對股骨髁關(guān)節(jié)面特征進(jìn)行層次參數(shù)化表示。具體方法如下:
[0005]—種以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0006]步驟1:根據(jù)醫(yī)學(xué)意義在股骨髁關(guān)節(jié)面上選取特征線并進(jìn)行定義和分層表示；
[0007]股骨髁關(guān)節(jié)面上選取的具有醫(yī)學(xué)意義的特征線被定義為C = {D，R，PJ，其中，C表示特征線名稱，D表示特征點(diǎn)集合，R表示各語義參數(shù)間約束規(guī)則的集合，P1表示特征線的語義參數(shù)的集合。
[0008]對特征線進(jìn)行分層是指將特征線從底層到高層依次分為:幾何層、約束層、語法層N語乂層。
[0009]步驟2:對股骨髁關(guān)節(jié)面的特征進(jìn)行參數(shù)化表示。
[0010]步驟2a，選定曲面生成方式并定義特征參數(shù)，包括曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù)；
[0011]步驟2a中曲面生成方式可表示成G = {skinning}，skinning表示蒙皮。特征參數(shù)定義是指構(gòu)建特征參數(shù)集合P = {PS，PJ，其中，Ps表示曲面特征參數(shù)集合，P1表示特征線參數(shù)集合。
[0012]步驟2b，建立曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù)間的映射關(guān)系。
[0013]股骨髁曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù)的映射關(guān)系表示為μ = {μι，μ2，μ3}，μ1 =
{ Z AOB ^ {α I, α 2}}，μ2= {W1 — {W2, W3}}, μ 3= {Η1 — {Η2, Η3}}，其中，Z AOB 表示滑車溝角，Wl表示股骨髁寬，Hl表示股骨外側(cè)髁高度。
[0014]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提供的一種以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(shè)計(jì)方法，在股骨髁關(guān)節(jié)面造型中，以特征線為基本單元對股骨髁關(guān)節(jié)面特征進(jìn)行層次化和參數(shù)化表示。這使得設(shè)計(jì)人員能夠通過高層語義參數(shù)的修改簡便實(shí)現(xiàn)對股骨髁關(guān)節(jié)面特征的修改。本發(fā)明對于提高膝關(guān)節(jié)假體參數(shù)的設(shè)計(jì)效率有重要意義，同時(shí)為膝關(guān)節(jié)假體的系列化設(shè)計(jì)和個(gè)性化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而對術(shù)前模擬和術(shù)后穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0016]圖2是股骨髁關(guān)節(jié)面三維示意圖；
[0017]圖3是股骨髁關(guān)節(jié)面特征表示平面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0019]如圖1所示，一種以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(shè)計(jì)方法，可以概括為主要包括以下兩個(gè)步驟:
[0020]步驟1:根據(jù)醫(yī)學(xué)意義在股骨髁關(guān)節(jié)面上選取特征線并進(jìn)行定義和分層表示；
[0021]股骨髁關(guān)節(jié)面上選取的具有醫(yī)學(xué)意義的特征線被定義為C= {D，R，PJ，其中，C表示特征線名稱，D表示特征點(diǎn)集合，R表示各語義參數(shù)間約束規(guī)則的集合，P1表示特征線的語義參數(shù)的集合。
[0022]如圖2所示為股骨髁關(guān)節(jié)面的三維示意圖，圖3是股骨髁關(guān)節(jié)面特征表示平面示意圖，圖3中所有標(biāo)注的點(diǎn)和曲線均是圖2中對應(yīng)部分在冠狀面上的投影。在股骨髁關(guān)節(jié)面上定義特征線Cl (經(jīng)過點(diǎn)E、K、C、G、M、A、O)、C2 (經(jīng)過點(diǎn)0、B、N、T、D、R、E)，具體表示如下:
[0023]Cl = {Dl，Rl，Pn}，其中，Dl = {E, K, C，G, Μ, A, 0}，Rl = {H3 < H2, O < α I <90}，P11= { α I, W2, Η3}，E表示為股骨髁間窩最凹點(diǎn)，C表示股骨髁外側(cè)后髁最低點(diǎn)，K、G分別表示股骨髁外側(cè)髁寬的兩個(gè)端點(diǎn)，M表示股骨髁外側(cè)最外端點(diǎn)，A表示股骨髁外側(cè)前髁最高點(diǎn)，O表示股骨髁前髁最凹點(diǎn)，α I表示股骨外側(cè)髁傾角，W2表示股骨外側(cè)髁寬，Η3表示股骨髁間窩深；
[0024]C2 = {D2，R2，P12}，其中，D2 = {O, B, N, T, D, R, E}, R2 = {H3 < H2, O < α 2 < 90}，P12= { α 2，W3, H2}，B表示股骨髁內(nèi)側(cè)前髁最高點(diǎn)，N表示股骨髁內(nèi)側(cè)最內(nèi)側(cè)點(diǎn)，D表示股骨髁內(nèi)側(cè)后髁最低點(diǎn)，T、R分別表示股骨內(nèi)側(cè)髁寬的兩個(gè)端點(diǎn)，α 2表示股骨內(nèi)側(cè)髁傾角，W3表示股骨內(nèi)側(cè)髁寬，Η2表示股骨內(nèi)側(cè)髁高度。
[0025]對定義的特征線進(jìn)行分層；將特征線從底層到高層依次分為:幾何層、約束層、語法層、語義層；
[0026]如圖2，圖3所示，幾何層是特征線的最底層，特征點(diǎn)集合Dl = {E, K, C，G, Μ, A, 0}，D2 = {O, B, N, T, D, R, E}屬于幾何層；約束層是特征線生成過程中所受到的種種限制，Rl ={H3 < H2, O < α I < 90}，R2 = {Η3 < Η2, O < α 2 < 90}均屬于約束層；對特征線 C1、C2進(jìn)行分析檢查是否符合約束層中定義的約束規(guī)則這涉及到語法層；Pn= {> 1，W2，H3}，P12={ α 2，W3, Η2}表示參數(shù)語義層。
[0027]步驟2:對股骨髁關(guān)節(jié)面特征進(jìn)行參數(shù)化表示。
[0028]如圖2，圖3所示，將曲面特征表示為SF= {C, G, P, μ}，其中，C表示特征線的集合，G表示曲面生成方式，P為具有語義信息的特征參數(shù)集合，反映曲面的整體形狀。μ表示曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù)間的映射關(guān)系。具體包括以下步驟:
[0029]步驟2a，選定曲面生成方式并定義特征參數(shù)(包括曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù))；
[0030]在股骨髁關(guān)節(jié)面上，特征線集合C= {C1，C2}，曲面生成方式表示成G ={skinning}，skinning表示蒙皮。特征參數(shù)定義是指構(gòu)建特征參數(shù)集合P = {Ps, Pj，其中，Ps表示曲面特征參數(shù)集合，P s= { Z AOB, Wl, H1}，P:表示特征線參數(shù)集合，P J ={α I, α 2, W2, W3, H2, H3}。
[0031]步驟2b，建立曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù)間的映射關(guān)系。
[0032]將股骨髁曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù)的映射關(guān)系表示為μ = {μ” μ2，μ3}，U1={ Z AOB ^ {α I, α 2}}，μ2= {ffl — {W2, W3}}, μ 3= {Η1 — {Η2, Η3}}，其中，Z AOB 表示滑車溝角，Wl表示股骨髁寬，Hl表示股骨外側(cè)髁高度。
[0033]本發(fā)明未進(jìn)一步說明的均為現(xiàn)有技術(shù)。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:根據(jù)醫(yī)學(xué)意義在股骨髁關(guān)節(jié)面上選取特征線并進(jìn)行定義和分層表示； 步驟2:對股骨髁關(guān)節(jié)面的特征進(jìn)行參數(shù)化表示； 2a、選定曲面生成方式并定義特征參數(shù)，包括曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù)； 2b、建立曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù)間的映射關(guān)系。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟I中將在股骨髁關(guān)節(jié)面上選取的具有醫(yī)學(xué)意義的特征線定義為C = {D, R, PJ，其中，C表示特征線名稱，D表示特征點(diǎn)集合，R表示各語義參數(shù)間約束規(guī)則的集合，P1表示特征線的語義參數(shù)的集合。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟I中對特征線分層是指將特征線從底層到高層依次分為:幾何層、約束層、語法層N語乂層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟2a中曲面生成方式表示成G = {skinning}，skinning表示蒙皮，特征參數(shù)定義是指構(gòu)建特征參數(shù)集合P = {PS，PJ，其中，Ps表示曲面特征參數(shù)集合，P1表示特征線參數(shù)集入口 ο5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟2b中股骨髁曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù)的映射關(guān)系表示為μ = {μ。μ2，μ3}，U1= { Z AOB ^ { α I, α 2}}，μ 2= Iffl — {W2, W3}}, μ 3= {Η1 — {Η2, Η3}}，其中，Z AOB表示滑車溝角，Wl表示股骨髁寬，Hl表示股骨外側(cè)髁高度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以特征線為中心的股骨髁關(guān)節(jié)面特征設(shè)計(jì)方法，包括：步驟一，根據(jù)醫(yī)學(xué)意義在股骨髁關(guān)節(jié)面上選取特征線并進(jìn)行定義和分層表示；步驟二，對股骨髁關(guān)節(jié)面特征進(jìn)行參數(shù)化表示，選定曲面生成方式并定義特征參數(shù)，包括曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù)；建立曲面特征參數(shù)和特征線參數(shù)間的映射關(guān)系。本發(fā)明能夠使得設(shè)計(jì)人員通過高層語義參數(shù)的修改簡便實(shí)現(xiàn)對股骨髁關(guān)節(jié)面特征的修改，提高了膝關(guān)節(jié)假體參數(shù)設(shè)計(jì)效率，同時(shí)為膝關(guān)節(jié)假體的系列化設(shè)計(jì)和個(gè)性化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而對術(shù)前模擬和術(shù)后穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105045992
【申請?zhí)枴緾N201510401916
【發(fā)明人】王淋, 何坤金, 陳小中, 鄒澤宇, 耿維忠, 王波
【申請人】河海大學(xué)常州校區(qū)
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年7月9日