一种基于语义参数的接骨板贴合面设计方法❋

邹泽宇，张荣丽

（河海大学物联网工程学院，常州213022）

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一种基于语义参数的接骨板贴合面设计方法❋

邹泽宇，张荣丽

（河海大学物联网工程学院，常州213022）

为了解决接骨板的快速设计问题，课题组提出一种基于参数化技术的接骨板设计方法及一种基于语义参数的接骨板贴合面设计方法，该方法利用特征点将接骨板标定为具有医用意义的实体特征单元。首先，结合医学医用需求，从重构的点云骨骼模型中获取感兴趣区域，构成贴合面特征区域；其次，构建设计特征点、线与参数间的约束关系，并通过轮廓线蒙皮等操作创建贴合面的特征曲面；最后，以特征曲面为输入，设置厚度参数，生成接骨板实体模型。实验以T型接骨板为实例进行验证，实验表明该方法能够通过语义参数快速构建接骨板，为接骨板的快速设计提供了一种新方法。

接骨板；感兴趣区域；曲面特征；曲面重构；语义参数；快速设计

1 引 言

随着数字骨科［1］的发展，骨科植入物设计正逐步由简单系列化设计向快速设计拓展。骨科植入物的应用已经历经一个多世纪的发展，成为治疗骨骼受损的必要手段之一。最常见的骨科植入物有：接骨板、髓内钉、钢针等，其中接骨板的设计是植入物设计的核心［2-3］。目前，骨科广泛使用的内固定接骨板是医疗器械厂批量生产的通用型接骨板，而人类骨骼的形态、大小却存在差异，并且骨折的类型更是千差万别，因此，系列化通用型接骨板不能很好满足具体骨折部位的形态学等方面的要求。但在个性化接骨板定制方面，由于设计制造周期长，成本高，难以被广大患者使用。

目前，植入物设计方法是以骨骼模型三维网格模型为基础，使用现有商业CAD软件和大量的人机交互进行设计实现，该方法费时费力，设计结果并不能令人满意，尤其在贴合性上。系列化接骨板的使用存在手术过程费事费力，过渡依赖临床经验，手术效果、医患交流不畅等缺点。近几年，卢秉恒院士等［4］从工程加工角度上总结了快速成型技术在人工假体等制造技术上的应用，为我国在数字骨科领域奠定了基础。任龙韬等［5］采用CT原始数据实现骨折的模拟复位及个性化解剖型接骨板的三维实体模型的创建。宋卫卫等［6］提出了基于CT图像的反求技术，实现了缺损骨骼模型的修复与重建方法。Arnone等［7］提出了采用基于有限元分析的计算机辅助仿真模型指导骨科植入物的设计方法。R.Neto等［8］从设计的角度先基于骨骼表面生成接骨板的大致形状，并对其进行修剪生成符合患者所需形状模型，实现术前规划。Kozic等［9］采用基于水平集的统计形状分析方法实现了骨科植入物的优化设计。Pendergast［10］等提出了基于有限元模拟的锁骨固定接骨板参数分析方法，并且分析了接骨板厚度对其刚度结构的影响。M.Grujici［11］通过使用肌肉骨骼模型的建模，达到植入物的优化设计。上述成果在一定程度上促进了数字化植入物设计与制造的研究发展。然而，至今将曲面特征与参数化技术融入到植入物设计上鲜有报道，从而影响了植入物的设计效率。考虑到曲面特征技术具有支持高层语义参数的设置，易于曲面的编辑修改等优点，是一种有效的接骨板设计方法。

相对于传统的植入物设计方法，本课题组引入曲面特征技术，曲面特征参数化［12-14］设计方法屏蔽了大量的底层信息，支持少量具有特定语义的高层参数，以实现接骨板曲面的定义与修改。并将曲面特征参数化技术应用于植入物设计，主要包括：基于骨骼模型获取接骨板贴合面；利用曲面特征技术实现贴合面的参数配置；通过设置厚度参数实现接骨板实体的构建。

2 参数化接骨板构建流程

为实现接骨板参数化设计，课题组提出了一种基于参数的接骨板快速设计方法，其主要流程如图1所示。

图1 基于特征的植入物设计流程

首先结合医学医用需求，基于骨骼模型获取感兴趣区域［15］，将该区域定义为贴合曲面，并绘制该区域的边界线与内部约束线作为植入物的轮廓线；其次，在贴合曲面上定义特征点、线以及参数间的约束关系，通过轮廓线以蒙皮等方式重构曲面，对重构的贴合曲面设置语义参数并作为曲面特征；最后通过设置厚度参数生成接骨板实体特征。

3 曲面特征的定义

植入物设计的关键技术是贴合面的构建，其中，植入物贴合面的特征化是植入物特征设计的重要内容。曲面特征化的核心是曲面形状的参数化表示，该方法基于特征的思想，将曲面特征化分为曲面重构以及特征参数化两部分。

在曲面重构方面，主要通过特征线实现对自由曲面的特征表达，特征线的定义是曲面重构的重点。曲面重构的基础是表达自由曲面信息的特征线（边界线与内部约束线）。包括以下步骤：首先，在骨骼模型上定义出感兴趣区域的边界线和内部约束线，如图2（a，b，c）所示；其次，基于这些特征线，利用曲面生成方式（如蒙皮、覆盖）生成一个全新的、独立的CAD曲面，为接骨板的贴合面，如图2（d，e）所示；然后，在生成曲面的特征线上定义特征点，这些特征点用于定义高层语义参数。

图2 T型接骨板贴合面重构

特征参数化，其重点在于如何通过定义少量具有特定语义的高层参数来实现曲面的定义与修改。本方法将曲面特征的参数划分为层次结构：高层语义参数描述曲面特征的整体形状，如图3（d），中间层参数描述曲面特征线的形状，如图3（c），底层参数则描述曲面、曲线的特征点，如图3（a，b）。此方法将曲面的特征线作为中间过渡层，建立与其他层之间的相关联系，屏蔽大量的底层信息，通过少量的高层语义参数来实现对曲面特征的修改以及编辑。

图3 T型接骨板贴合面层次化

4 贴合面构建及其参数化

接骨板的设计不仅需要实现接骨板与骨骼较好匹配，避免出现钢板及螺钉松动、断裂，而且需要预留接骨板与骨骼之间间隙，保证神经纤维以及血管细胞的生长［16］，促进骨头受损处的术后恢复，因此，接骨板贴合面的构建是接骨板构建的核心。

为了避免骨骼类型的差异，课题组将采用江苏地区身高在155-175mm之间的正常成人股骨、胫骨预处理平均骨骼模型［17］，结合医用需求构建参数化接骨板的贴合面，并采用特征点、特征线相结合的方式实现贴合面的重构，具体步骤如下：

图4 植入物曲面参数化构建

Step 1.导入平均骨骼模型，选取局部区域范围，在骨骼模型的感兴趣区域［20］上绘制所需接骨板的边界线，如图4（a）所示。

Step 2.选定特定点并定义为特征点，构建内部特征线；通过特征点，实现特征线的形状修改。如图4（b，c）所示。

Step 3.重构曲面区域作为贴合面，通过覆盖或蒙皮等生成方式生成骨骼模型的贴合曲面，最后形成一个独立曲面，如图4（d）所示。其中，边界线确定曲面的范围，内部约束线决定曲面的基本形状。

Step 4.结合医用需求［18］，在重构的贴合面上定义语义参数，并建立语义参数与贴合面直接的映射关系，实现通过语义参数完成对接骨板贴合面的参数修改与编辑，如图4（e）所示。

5 参数约束定义与实体生成

通过高层语义参数的定义实现接骨板实体快速设计，其关键问题是建立曲面特征参数P间的映射关系μ，参数间的映射关系见前期工作［14］。参数的定义建立在特征点基础上，如图7（a）所示，映射关系μ是建立在参数间上的动态变化。

曲面特征参数：P＝｛L，W1，W2，W3，α｝，L表示植入物接骨板的整体长度，W1，W2，W3表示其关键位置宽度，α表示接骨板在其上端部分的弯曲度，如图7（a）所示；最后将其重构的曲面通过等厚参数（拉伸）得到接骨板实体［19］，如图7（b）所示。

映射关系：μ表示曲面特征参数间的映射关系，如：

图7 特征参数的定义

5 实例与分析

实验建立在VC2008+CAA+RADE的集成开发平台之上，实例利用C++对CAA进行二次开发。图8（b）为胫骨近端T型接骨板，先设计贴合面的曲面特征与设置特征参数，支持曲面特征参数编辑修改，如图8所示；再设计接骨板的实体特征。设计好一种正T型接骨板后，设置曲面特征参数，生成多个变形的T型接骨板（正T型、斜T型、L型）。其中，L1，L为长度，α为偏离原始位置的角度，W1、W2、W3为宽度，T为下部分偏离中间位置的距离。对其曲面参数化P＝｛L1，L，W1，W2，W3，T｝，通过调整曲面参数P、映射关系μ，对区域曲面参数编辑修改生成多样化适应性的接骨板。在CATIA主窗口中显示参数化界面、接骨板以及骨骼模型，如图8（a）所示。

图8 调整曲面参数生成的接骨板

图9所示为肱骨近端的接骨板个性设计。通过调整曲面特征参数P、映射关系μ，对区域曲面参数编辑修改生成多样化的适应性接骨板。

图9 肱骨近端接骨板设计

此方法是一种基于参数化技术的接骨板快速构建方法，该方法能够支持接骨板的系列化设计以及个性化。将该方法与已有的接骨板设计方法进行比较，如表1所示。

表1 接骨板设计方法比较

7 结束语

由于人体骨骼表面形状的复杂性和个体差异性，课题组提出了一种基于参数的接骨板快速设计方法。与现有方法相比，本方法具有以下特点：①提出了接骨板贴合面参数化特征设计方法，通过高层语义参数表示接骨板曲面模型，实现快速设计；②提取了曲面特征信息，实现接骨板贴合面的重构；③构建了贴合面与实体模型间的参数约束关系，便于用户直观地构建和编辑接骨板实体模型。下一步工作是研究不等厚设计接骨板实体，优化接骨板模型的质量，提高个性化植入物设计的质量与效率。

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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

国家自然科学基金（61472118）；江苏省科技支撑计划（BE2014048）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20141158）

邹泽宇（1992-），男，江西省抚州市人，硕士研究生，主研方向：CAD＆CG。

2016-05-10