一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种曲面特征设计技术，具体涉及一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法，属于计算机辅助设计领域。
【背景技术】
[0002]膝关节是人体结构最复杂的关节，运动功能要求高。近年来，膝关节内的骨性病变(如类风湿关节炎、骨性关节炎、肿瘤等)发病率呈上升趋势，这严重影响患者的生活质量，同时也是骨科医学需要攻破的一大难点。对病情较严重的患者，临床上多采用人工全膝关节置换的方案进行康复治疗。因此，膝关节假体设计的合理性对于假体置换后的近期及长期稳定效果有着尤为关键的作用。然而，目前国内使用的膝关节假体多为进口和仿制国外，且普遍适用于男性而不适用于女性。这主要是因为膝关节假体参数设计的核心主要体现在股骨远端髁上，而股骨远端髁参数之间存在显著的性别差异(当前后径相同的情况下，女性横径较男性小)。具体表现为:对女性患者而言，当选择与股骨髁前后径相匹配的假体时，假体悬出内外侧髁骨面，这严重影响软组织平衡；当选择与股骨髁横径相匹配的假体，假体前后径偏小，这必须对股骨前髁或者后髁进行截骨。
[0003]同时，人体解剖学数据的精确性对于医疗器械的设计和手术方案的确定有着至关重要的影响。股骨髁关节面三维形态知识的精确获取是膝关节假体设计的基础和前提。因此，假体设计必须严格遵循国人膝关节生理构造和解剖参数，同时，股骨髁关节面参数的测量及假体的设计均需考虑性别差异。由于股骨髁关节面形态学知识的获取与与其曲面特征有很大的关联性，且股骨髁关节面解剖形态复杂，传统的采用点、线、面对股骨远端髁曲面特征的几何属性描述的方法存在一定的缺点(点缺少对整体形状的描述，面又存在冗余问题)，因此，必须寻找一种新的股骨髁关节面的特征定义和表达方法。
【发明内容】
[0004]为了解决在股骨髁关节面造型技术中存在的不足，本发明提出以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法，以特征线为基本元素对股骨髁关节面特征进行层次参数化表示。具体方法如下:
[0005]—种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1:根据医学意义在股骨髁关节面上选取特征线并进行定义和分层表示；
[0007]股骨髁关节面上选取的具有医学意义的特征线被定义为C = {D，R，PJ，其中，C表示特征线名称，D表示特征点集合，R表示各语义参数间约束规则的集合，P1表示特征线的语义参数的集合。
[0008]对特征线进行分层是指将特征线从底层到高层依次分为:几何层、约束层、语法层N语乂层。
[0009]步骤2:对股骨髁关节面的特征进行参数化表示。
[0010]步骤2a，选定曲面生成方式并定义特征参数，包括曲面特征参数和特征线参数；
[0011]步骤2a中曲面生成方式可表示成G = {skinning}，skinning表示蒙皮。特征参数定义是指构建特征参数集合P = {PS，PJ，其中，Ps表示曲面特征参数集合，P1表示特征线参数集合。
[0012]步骤2b，建立曲面特征参数和特征线参数间的映射关系。
[0013]股骨髁曲面特征参数和特征线参数的映射关系表示为μ = {μι，μ2，μ3}，μ1 =
{ Z AOB ^ {α I, α 2}}，μ2= {W1 — {W2, W3}}, μ 3= {Η1 — {Η2, Η3}}，其中，Z AOB 表示滑车沟角，Wl表示股骨髁宽，Hl表示股骨外侧髁高度。
[0014]本发明的有益效果:本发明提供的一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法，在股骨髁关节面造型中，以特征线为基本单元对股骨髁关节面特征进行层次化和参数化表示。这使得设计人员能够通过高层语义参数的修改简便实现对股骨髁关节面特征的修改。本发明对于提高膝关节假体参数的设计效率有重要意义，同时为膝关节假体的系列化设计和个性化设计提供科学依据，进而对术前模拟和术后稳定起到至关重要的作用。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的流程图；
[0016]图2是股骨髁关节面三维示意图；
[0017]图3是股骨髁关节面特征表示平面示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0019]如图1所示，一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法，可以概括为主要包括以下两个步骤:
[0020]步骤1:根据医学意义在股骨髁关节面上选取特征线并进行定义和分层表示；
[0021]股骨髁关节面上选取的具有医学意义的特征线被定义为C= {D，R，PJ，其中，C表示特征线名称，D表示特征点集合，R表示各语义参数间约束规则的集合，P1表示特征线的语义参数的集合。
[0022]如图2所示为股骨髁关节面的三维示意图，图3是股骨髁关节面特征表示平面示意图，图3中所有标注的点和曲线均是图2中对应部分在冠状面上的投影。在股骨髁关节面上定义特征线Cl (经过点E、K、C、G、M、A、O)、C2 (经过点0、B、N、T、D、R、E)，具体表示如下:
[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表示为股骨髁间窝最凹点，C表示股骨髁外侧后髁最低点，K、G分别表示股骨髁外侧髁宽的两个端点，M表示股骨髁外侧最外端点，A表示股骨髁外侧前髁最高点，O表示股骨髁前髁最凹点，α I表示股骨外侧髁倾角，W2表示股骨外侧髁宽，Η3表示股骨髁间窝深；
[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表示股骨髁内侧前髁最高点，N表示股骨髁内侧最内侧点，D表示股骨髁内侧后髁最低点，T、R分别表示股骨内侧髁宽的两个端点，α 2表示股骨内侧髁倾角，W3表示股骨内侧髁宽，Η2表示股骨内侧髁高度。
[0025]对定义的特征线进行分层；将特征线从底层到高层依次分为:几何层、约束层、语法层、语义层；
[0026]如图2，图3所示，几何层是特征线的最底层，特征点集合Dl = {E, K, C，G, Μ, A, 0}，D2 = {O, B, N, T, D, R, E}属于几何层；约束层是特征线生成过程中所受到的种种限制，Rl ={H3 < H2, O < α I < 90}，R2 = {Η3 < Η2, O < α 2 < 90}均属于约束层；对特征线 C1、C2进行分析检查是否符合约束层中定义的约束规则这涉及到语法层；Pn= {> 1，W2，H3}，P12={ α 2，W3, Η2}表示参数语义层。
[0027]步骤2:对股骨髁关节面特征进行参数化表示。
[0028]如图2，图3所示，将曲面特征表示为SF= {C, G, P, μ}，其中，C表示特征线的集合，G表示曲面生成方式，P为具有语义信息的特征参数集合，反映曲面的整体形状。μ表示曲面特征参数和特征线参数间的映射关系。具体包括以下步骤:
[0029]步骤2a，选定曲面生成方式并定义特征参数(包括曲面特征参数和特征线参数)；
[0030]在股骨髁关节面上，特征线集合C= {C1，C2}，曲面生成方式表示成G ={skinning}，skinning表示蒙皮。特征参数定义是指构建特征参数集合P = {Ps, Pj，其中，Ps表示曲面特征参数集合，P s= { Z AOB, Wl, H1}，P:表示特征线参数集合，P J ={α I, α 2, W2, W3, H2, H3}。
[0031]步骤2b，建立曲面特征参数和特征线参数间的映射关系。
[0032]将股骨髁曲面特征参数和特征线参数的映射关系表示为μ = {μ” μ2，μ3}，U1={ Z AOB ^ {α I, α 2}}，μ2= {ffl — {W2, W3}}, μ 3= {Η1 — {Η2, Η3}}，其中，Z AOB 表示滑车沟角，Wl表示股骨髁宽，Hl表示股骨外侧髁高度。
[0033]本发明未进一步说明的均为现有技术。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:根据医学意义在股骨髁关节面上选取特征线并进行定义和分层表示； 步骤2:对股骨髁关节面的特征进行参数化表示； 2a、选定曲面生成方式并定义特征参数，包括曲面特征参数和特征线参数； 2b、建立曲面特征参数和特征线参数间的映射关系。2.根据权利要求1所述的一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法，其特征在于，步骤I中将在股骨髁关节面上选取的具有医学意义的特征线定义为C = {D, R, PJ，其中，C表示特征线名称，D表示特征点集合，R表示各语义参数间约束规则的集合，P1表示特征线的语义参数的集合。3.根据权利要求1所述的一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法，其特征在于，步骤I中对特征线分层是指将特征线从底层到高层依次分为:几何层、约束层、语法层N语乂层。4.根据权利要求1所述的一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法，其特征在于，步骤2a中曲面生成方式表示成G = {skinning}，skinning表示蒙皮，特征参数定义是指构建特征参数集合P = {PS，PJ，其中，Ps表示曲面特征参数集合，P1表示特征线参数集入口 ο5.根据权利要求1所述的一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法，其特征在于，步骤2b中股骨髁曲面特征参数和特征线参数的映射关系表示为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表示滑车沟角，Wl表示股骨髁宽，Hl表示股骨外侧髁高度。
【专利摘要】本发明公开了一种以特征线为中心的股骨髁关节面特征设计方法，包括：步骤一，根据医学意义在股骨髁关节面上选取特征线并进行定义和分层表示；步骤二，对股骨髁关节面特征进行参数化表示，选定曲面生成方式并定义特征参数，包括曲面特征参数和特征线参数；建立曲面特征参数和特征线参数间的映射关系。本发明能够使得设计人员通过高层语义参数的修改简便实现对股骨髁关节面特征的修改，提高了膝关节假体参数设计效率，同时为膝关节假体的系列化设计和个性化设计提供科学依据，进而对术前模拟和术后稳定起到至关重要的作用。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105045992
【申请号】CN201510401916
【发明人】王淋, 何坤金, 陈小中, 邹泽宇, 耿维忠, 王波
【申请人】河海大学常州校区
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月9日