个性化接骨板构件便捷设计方法*

王 淋，陈嘉辉，杨 悦

(徐州医科大学 医学信息与工程学院，江苏 徐州 221004)

0 引言

骨科植入物是通过手术植入人体，以替代、修复患者的骨骼、关节和软骨等组织，或者对这些组织进行定位、支撑的器件和材料[1，2]。近年来，随着医疗水平的不断提升和人口老龄化程度的不断加大，我国植入物市场规模持续快速增长。骨科植入物设计质量对骨科手术治疗效果起着至关重要的作用[3]，通用型、标准型植入物虽然具有现用现取、价格低廉等优点，但是无法满足个性化的诊疗需求。由于人体骨骼不匹配导致二次手术的案例时有发生，这是因为即使是人体同类型的骨骼，在年龄、性别、地域等方面仍存在较大差异[4，5]，而接骨板的型号无法覆盖到所有人群。为此，研究者开始关注个性化植入物设计，即依据患者个体的骨骼解剖外形、骨损伤或者病变等具体情况，设计特定外形和大小的骨科植入物[6]。连芩等[7]从加工角度总结定制化人工假体等制造技术的研究成果，为我国在数字骨科领域奠定了基础。李涤尘和刘绘龙等[8，9]提出面向大尺寸聚醚醚酮个性化假体的精准设计方法，经过制造最终实现了临床应用。由于增材制造技术自由成型的特点，在快速精确制造多孔和具有复杂微观结构的植入物方面具有独特优势[10]，该技术目前在髋关节、膝关节、踝关节、颅领面和脊柱上取得了巨大的进展[11]。

在增材制造技术逐渐成熟的机遇下，骨科植入物模型的构建显得尤为重要。目前，植入物设计主要采用数字化技术，且逐渐朝着智能化方向发展[12]。然而医疗手段中应用数字化技术在国内外都是一个十分独特的交叉领域，为此国内外研究学者对此展开了深入研究。Huri等[13]提出一种可调节接骨板设计方法，允许接骨板与骨骼固定后仍然可以根据骨折情况适当地接触和挤压骨折块，进而提高骨折和骨缺损的手术成功率。He K J等[14]提出了基于语义参数和模板的接骨板设计方法，通过构建骨骼平均模型，选取其感兴趣区域重构接骨板并定义语义参数，避免了每次设计从头开始的繁琐环节，提高了设计效率。Liu等[15]提出了一种个性化微创长骨骨折手术中内固定钢板的可视化建模方法，通过提取骨折信息、分割、配准等，重建与患者骨折几何形状匹配准确的、个性化的内固定钢板模型，该方法为微创长骨骨折手术提供了良好的技术基础和计算方法。伏治国等[16]从临床角度出发，依据国人资料设计、制定锁定加压接骨板，在股骨假体模型上获得有效的固定空间，为人全髋关节置换术后股骨近端假体周围骨折的处理提供了可行方案。这些方法根据骨折类型及手术需求初步确定接骨板几何形状，再通过模拟接骨板与骨骼的固定，优化接骨板形状和大小。然而，在接骨板设计过程中，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，之后工程师建立接骨板模型，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，而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，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，出现设计偏差，延长接骨板定制周期。此问题实际上已经成为目前我国骨科医疗器械生产企业的瓶颈。为了缩短个性化接骨板设计周期，在多年来本工作组取得的植入物设计研究成果[17，18]基础之上，本文提出一种个性化接骨板构件便捷设计方法，将接骨板划分为特殊构件和常规构件，并分别构建其参数化模型，然后提取构件的边界特征和曲面特征并加入特征库，最后依据临床需求检索构件，组配生成个性化接骨板。

1 接骨板参数化模型构建

个性化接骨板在形状上虽然不同，但是有极高的相似性。参数化建模技术使得设计师可以通过参数的调整修改设计意图，目前已发展得较为成熟，在很多领域都得到了广泛应用[19],这项技术为定制化生产方式提供了保障。在接骨板参数化模型的构建中，为设计方便，将接骨板划分为常规构件和特殊构件，之后分别配置参数，生成参数化构件。

1.1 构件划分

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三维模型。从接骨板构件形状上来看，头部形态表现出不同的形状，但是尾部多表现为窄长型条状，如图1所示。为设计方便，将接骨板构件分为特殊构件和常规构件，以股骨远端接骨板为例，构件的划分如图2所示。特殊构件通常有特定的形状，一般会依据骨骼局部形态构建，对局部的修复起到至关重要的作用；常规构件通常表现为窄长型等较为常见形状，起到支撑固定作用。

图1 接骨板构件形状

图2 股骨远端接骨板构件划分

1.2 构件参数设置

接骨板构件的参数设置是对板构件设置若干能够反映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连接孔)的中心位置、直径、深度等。为方便参数化，对特殊构件和常规构件依次按照贴合面、实体、连接面来进行参数化处理。本文以股骨远端支撑接骨板为例进行构件参数化设置，如图3所示。

图3 股骨远端支撑接骨板构件参数化设置

1.2.1 接骨板特殊构件参数配置

(1)贴合面参数：如图3(a)所示，贴合面参数包括上段宽度w1.1、中部宽度w1.2、下段宽度w1.3、角度α、左侧延长度l1.1和右侧延长度l1.2。

(2)连接面参数：包括连接孔中心F1.q(q=1,2)和连接孔直径Φd1.2。连接孔中心的设置是为了方便后期特殊构件和常规构件的连接。

(3)实体参数：如图3(b)所示，实体参数包括厚度h1.1、固定孔中心O1.i(i=1,2,…,m，m为固定孔的数目)和固定孔直径Φd1.1。

1.2.2 接骨板常规构件参数配置

(1)贴合面参数：如图3(e)所示，贴合面参数包括上端宽度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。为了连接的准确性，需满足w2.1=w1.3。

(2)连接面参数：包括连接孔中心F2.q(q=1,2)和连接孔直径Φd2.2。为了方便后期实现接骨板特殊构件和常规构件的连接定位，需满足F1.q=F2.q，且Φd1.2=Φd2.2。

(3)实体参数：如图3(f)所示，实体参数包括厚度h2.1、固定孔中心O2.i(i=1,2,…,n，n为固定孔的数目)和固定孔直径Φd2.1。

2 构件特征的提取及检索

2.1 构件特征提取

提取股骨远端支撑接骨板特殊构件和常规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，之后将提取的边界特征和曲面特征加入特征库，如图4所示。

图4 股骨远端支撑接骨板构件特征提取

(1)边界特征：对接骨板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边界特征向量。

(2)曲面特征：在贴合面曲面S(u,v)上以等间隔u、v参数获取采样点生成的特征向量。

2.2 构件特征检索

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，并从特征数据库中检索出高相似度的接骨板构件模型。接骨板构件特征动态融合检索方法如图5所示，检索步骤如下：

图5 接骨板构件特征动态融合检索方法

(1)计算接骨板贴合面边界的边界特征向量与接骨板贴合面曲面特征向量，并在特征数据库中检索出与所需接骨板相似度最高的接骨板构件模型。

(2)当待检索特征与数据库中特征相似性在阈值范围内时，直接输出；否则，调整并优化数据库中特征，直到满足阈值范围，同时将新特征补充到数据库。此处相似性计算采用Hausdorff距离[20]。

3 个性化接骨板生成

采用接骨板构件特征动态融合检索方法生成个性化接骨板的过程如图6所示。首先对检索到的接骨板特殊构件和常规构件分别作语义参数调整，得到修正模型；然后用修正模型的新特征更新特征库；最后连接修正模型的特殊构件和常规构件，生成个性化接骨板构件。

图6 利用接骨板构件特征动态融合检索方法生成个性化接骨板

4 结束语

本文针对个性化接骨板设计上的不足，将接骨板划分为特殊构件和常规构件，并分别构建其参数化模型，然后提取构件的边界特征和曲面特征，最后基于特征检索构件并组配成所需个性化接骨板。本方法的特点是：①将接骨板划分为常规构件和特殊构件，并提取其特征加入到数据库，可循环反复使用，无需重新设计，进而避免了不必要的设计环节，对缩短接骨板的定制周期有重要意义；②基于特征检索构件，将原本属于工程师的接骨板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个性化接骨板模型，进而缩短医工交互时间，提高了设计效率。本方法不足之处是尚未建立接骨板构件特征与骨骼骨折特征、解剖特征的直接联系，这也是我们后续需要研究的内容。