個性化接骨板構(gòu)件便捷設(shè)計(jì)方法*

王 淋，陳嘉輝，楊 悅

(徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院，江蘇 徐州 221004)

0 引言

骨科植入物是通過手術(shù)植入人體，以替代、修復(fù)患者的骨骼、關(guān)節(jié)和軟骨等組織，或者對這些組織進(jìn)行定位、支撐的器件和材料[1，2]。近年來，隨著醫(yī)療水平的不斷提升和人口老齡化程度的不斷加大，我國植入物市場規(guī)模持續(xù)快速增長。骨科植入物設(shè)計(jì)質(zhì)量對骨科手術(shù)治療效果起著至關(guān)重要的作用[3]，通用型、標(biāo)準(zhǔn)型植入物雖然具有現(xiàn)用現(xiàn)取、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是無法滿足個性化的診療需求。由于人體骨骼不匹配導(dǎo)致二次手術(shù)的案例時有發(fā)生，這是因?yàn)榧词故侨梭w同類型的骨骼，在年齡、性別、地域等方面仍存在較大差異[4，5]，而接骨板的型號無法覆蓋到所有人群。為此，研究者開始關(guān)注個性化植入物設(shè)計(jì)，即依據(jù)患者個體的骨骼解剖外形、骨損傷或者病變等具體情況，設(shè)計(jì)特定外形和大小的骨科植入物[6]。連芩等[7]從加工角度總結(jié)定制化人工假體等制造技術(shù)的研究成果，為我國在數(shù)字骨科領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。李滌塵和劉繪龍等[8，9]提出面向大尺寸聚醚醚酮個性化假體的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過制造最終實(shí)現(xiàn)了臨床應(yīng)用。由于增材制造技術(shù)自由成型的特點(diǎn)，在快速精確制造多孔和具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的植入物方面具有獨(dú)特優(yōu)勢[10]，該技術(shù)目前在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、顱領(lǐng)面和脊柱上取得了巨大的進(jìn)展[11]。

在增材制造技術(shù)逐漸成熟的機(jī)遇下，骨科植入物模型的構(gòu)建顯得尤為重要。目前，植入物設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字化技術(shù)，且逐漸朝著智能化方向發(fā)展[12]。然而醫(yī)療手段中應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)在國內(nèi)外都是一個十分獨(dú)特的交叉領(lǐng)域，為此國內(nèi)外研究學(xué)者對此展開了深入研究。Huri等[13]提出一種可調(diào)節(jié)接骨板設(shè)計(jì)方法，允許接骨板與骨骼固定后仍然可以根據(jù)骨折情況適當(dāng)?shù)亟佑|和擠壓骨折塊，進(jìn)而提高骨折和骨缺損的手術(shù)成功率。He K J等[14]提出了基于語義參數(shù)和模板的接骨板設(shè)計(jì)方法，通過構(gòu)建骨骼平均模型，選取其感興趣區(qū)域重構(gòu)接骨板并定義語義參數(shù)，避免了每次設(shè)計(jì)從頭開始的繁瑣環(huán)節(jié)，提高了設(shè)計(jì)效率。Liu等[15]提出了一種個性化微創(chuàng)長骨骨折手術(shù)中內(nèi)固定鋼板的可視化建模方法，通過提取骨折信息、分割、配準(zhǔn)等，重建與患者骨折幾何形狀匹配準(zhǔn)確的、個性化的內(nèi)固定鋼板模型，該方法為微創(chuàng)長骨骨折手術(shù)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)和計(jì)算方法。伏治國等[16]從臨床角度出發(fā)，依據(jù)國人資料設(shè)計(jì)、制定鎖定加壓接骨板，在股骨假體模型上獲得有效的固定空間，為人全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后股骨近端假體周圍骨折的處理提供了可行方案。這些方法根據(jù)骨折類型及手術(shù)需求初步確定接骨板幾何形狀，再通過模擬接骨板與骨骼的固定，優(yōu)化接骨板形狀和大小。然而，在接骨板設(shè)計(jì)過程中，需要醫(yī)生和工程師共同參與。骨科醫(yī)生根據(jù)患者病情，擬定治療方案，將所需接骨板的形狀、尺寸等信息提供給工程師，之后工程師建立接骨板模型，并反復(fù)向骨科醫(yī)生確認(rèn)。接骨板需求分析對于有著豐富臨床經(jīng)驗(yàn)的骨科醫(yī)生而言十分容易，對于工程師而言卻十分困難，而接骨板模型的設(shè)計(jì)對于有著熟練專業(yè)素養(yǎng)的工程師而言是常規(guī)性工作，對于骨科醫(yī)生而言卻十分困難。因此，在骨科醫(yī)生和工程師的溝通中，經(jīng)常會出現(xiàn)溝通偏差或者誤解，出現(xiàn)設(shè)計(jì)偏差，延長接骨板定制周期。此問題實(shí)際上已經(jīng)成為目前我國骨科醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)的瓶頸。為了縮短個性化接骨板設(shè)計(jì)周期，在多年來本工作組取得的植入物設(shè)計(jì)研究成果[17，18]基礎(chǔ)之上，本文提出一種個性化接骨板構(gòu)件便捷設(shè)計(jì)方法，將接骨板劃分為特殊構(gòu)件和常規(guī)構(gòu)件，并分別構(gòu)建其參數(shù)化模型，然后提取構(gòu)件的邊界特征和曲面特征并加入特征庫，最后依據(jù)臨床需求檢索構(gòu)件，組配生成個性化接骨板。

1 接骨板參數(shù)化模型構(gòu)建

個性化接骨板在形狀上雖然不同，但是有極高的相似性。參數(shù)化建模技術(shù)使得設(shè)計(jì)師可以通過參數(shù)的調(diào)整修改設(shè)計(jì)意圖，目前已發(fā)展得較為成熟，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[19],這項(xiàng)技術(shù)為定制化生產(chǎn)方式提供了保障。在接骨板參數(shù)化模型的構(gòu)建中，為設(shè)計(jì)方便，將接骨板劃分為常規(guī)構(gòu)件和特殊構(gòu)件，之后分別配置參數(shù)，生成參數(shù)化構(gòu)件。

1.1 構(gòu)件劃分

參考市場上現(xiàn)有接骨板，通過三維建模技術(shù)分別構(gòu)建接骨板三維模型。從接骨板構(gòu)件形狀上來看，頭部形態(tài)表現(xiàn)出不同的形狀，但是尾部多表現(xiàn)為窄長型條狀，如圖1所示。為設(shè)計(jì)方便，將接骨板構(gòu)件分為特殊構(gòu)件和常規(guī)構(gòu)件，以股骨遠(yuǎn)端接骨板為例，構(gòu)件的劃分如圖2所示。特殊構(gòu)件通常有特定的形狀，一般會依據(jù)骨骼局部形態(tài)構(gòu)建，對局部的修復(fù)起到至關(guān)重要的作用；常規(guī)構(gòu)件通常表現(xiàn)為窄長型等較為常見形狀，起到支撐固定作用。

圖1 接骨板構(gòu)件形狀

圖2 股骨遠(yuǎn)端接骨板構(gòu)件劃分

1.2 構(gòu)件參數(shù)設(shè)置

接骨板構(gòu)件的參數(shù)設(shè)置是對板構(gòu)件設(shè)置若干能夠反映接骨板形狀和尺寸的參數(shù)，如長度、寬度、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連接孔)的中心位置、直徑、深度等。為方便參數(shù)化，對特殊構(gòu)件和常規(guī)構(gòu)件依次按照貼合面、實(shí)體、連接面來進(jìn)行參數(shù)化處理。本文以股骨遠(yuǎn)端支撐接骨板為例進(jìn)行構(gòu)件參數(shù)化設(shè)置，如圖3所示。

圖3 股骨遠(yuǎn)端支撐接骨板構(gòu)件參數(shù)化設(shè)置

1.2.1 接骨板特殊構(gòu)件參數(shù)配置

(1)貼合面參數(shù)：如圖3(a)所示，貼合面參數(shù)包括上段寬度w1.1、中部寬度w1.2、下段寬度w1.3、角度α、左側(cè)延長度l1.1和右側(cè)延長度l1.2。

(2)連接面參數(shù)：包括連接孔中心F1.q(q=1,2)和連接孔直徑Φd1.2。連接孔中心的設(shè)置是為了方便后期特殊構(gòu)件和常規(guī)構(gòu)件的連接。

(3)實(shí)體參數(shù)：如圖3(b)所示，實(shí)體參數(shù)包括厚度h1.1、固定孔中心O1.i(i=1,2,…,m，m為固定孔的數(shù)目)和固定孔直徑Φd1.1。

1.2.2 接骨板常規(guī)構(gòu)件參數(shù)配置

(1)貼合面參數(shù)：如圖3(e)所示，貼合面參數(shù)包括上端寬度w2.1、中部寬度w2.2、下端寬度w2.3、上段長度l2.1和下段長度l2.2。為了連接的準(zhǔn)確性，需滿足w2.1=w1.3。

(2)連接面參數(shù)：包括連接孔中心F2.q(q=1,2)和連接孔直徑Φd2.2。為了方便后期實(shí)現(xiàn)接骨板特殊構(gòu)件和常規(guī)構(gòu)件的連接定位，需滿足F1.q=F2.q，且Φd1.2=Φd2.2。

(3)實(shí)體參數(shù)：如圖3(f)所示，實(shí)體參數(shù)包括厚度h2.1、固定孔中心O2.i(i=1,2,…,n，n為固定孔的數(shù)目)和固定孔直徑Φd2.1。

2 構(gòu)件特征的提取及檢索

2.1 構(gòu)件特征提取

提取股骨遠(yuǎn)端支撐接骨板特殊構(gòu)件和常規(guī)構(gòu)件貼合面的特征向量，即接骨板貼合面的邊界特征向量和曲面特征向量，之后將提取的邊界特征和曲面特征加入特征庫，如圖4所示。

圖4 股骨遠(yuǎn)端支撐接骨板構(gòu)件特征提取

(1)邊界特征：對接骨板構(gòu)件的貼合面即依附于骨骼的面提取其輪廓線，經(jīng)過等點(diǎn)采樣抽取特征點(diǎn)之后生成邊界特征向量。

(2)曲面特征：在貼合面曲面S(u,v)上以等間隔u、v參數(shù)獲取采樣點(diǎn)生成的特征向量。

2.2 構(gòu)件特征檢索

采集患者骨骼解剖特征，獲取所需接骨板的邊界特征向量和曲面特征向量，并從特征數(shù)據(jù)庫中檢索出高相似度的接骨板構(gòu)件模型。接骨板構(gòu)件特征動態(tài)融合檢索方法如圖5所示，檢索步驟如下：

圖5 接骨板構(gòu)件特征動態(tài)融合檢索方法

(1)計(jì)算接骨板貼合面邊界的邊界特征向量與接骨板貼合面曲面特征向量，并在特征數(shù)據(jù)庫中檢索出與所需接骨板相似度最高的接骨板構(gòu)件模型。

(2)當(dāng)待檢索特征與數(shù)據(jù)庫中特征相似性在閾值范圍內(nèi)時，直接輸出；否則，調(diào)整并優(yōu)化數(shù)據(jù)庫中特征，直到滿足閾值范圍，同時將新特征補(bǔ)充到數(shù)據(jù)庫。此處相似性計(jì)算采用Hausdorff距離[20]。

3 個性化接骨板生成

采用接骨板構(gòu)件特征動態(tài)融合檢索方法生成個性化接骨板的過程如圖6所示。首先對檢索到的接骨板特殊構(gòu)件和常規(guī)構(gòu)件分別作語義參數(shù)調(diào)整，得到修正模型；然后用修正模型的新特征更新特征庫；最后連接修正模型的特殊構(gòu)件和常規(guī)構(gòu)件，生成個性化接骨板構(gòu)件。

圖6 利用接骨板構(gòu)件特征動態(tài)融合檢索方法生成個性化接骨板

4 結(jié)束語

本文針對個性化接骨板設(shè)計(jì)上的不足，將接骨板劃分為特殊構(gòu)件和常規(guī)構(gòu)件，并分別構(gòu)建其參數(shù)化模型，然后提取構(gòu)件的邊界特征和曲面特征，最后基于特征檢索構(gòu)件并組配成所需個性化接骨板。本方法的特點(diǎn)是：①將接骨板劃分為常規(guī)構(gòu)件和特殊構(gòu)件，并提取其特征加入到數(shù)據(jù)庫，可循環(huán)反復(fù)使用，無需重新設(shè)計(jì)，進(jìn)而避免了不必要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對縮短接骨板的定制周期有重要意義；②基于特征檢索構(gòu)件，將原本屬于工程師的接骨板構(gòu)件設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)交給骨科醫(yī)生，使得骨科醫(yī)生可以便捷設(shè)計(jì)適用于個體患者的個性化接骨板模型，進(jìn)而縮短醫(yī)工交互時間，提高了設(shè)計(jì)效率。本方法不足之處是尚未建立接骨板構(gòu)件特征與骨骼骨折特征、解剖特征的直接聯(lián)系，這也是我們后續(xù)需要研究的內(nèi)容。