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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201510138637.1 (22)申请日 2015.03.27 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 104739548 A (43)申请公布日 2015.07.01 (73)专利权人 上海昕健医疗技术有限公司 地址 201203 上海市浦东新区张江高科技 园区碧波路518号304、 308室 (72)发明人 刘非 蔡浩 李涤尘 (51)Int.Cl. A61F 2/38(2006.01) 审查员 王金晶 (54)发明名称 一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节 假体。
2、的设计系统 (57)摘要 本发明涉及一种基于参数化驱动的个体化 人工膝关节假体的设计系统, 属于医疗产品设计 领域, 该设计系统基于交互式可视化医学图像处 理和计算机辅助设计技术, 特别涉及股骨假体模 型的个性参数化驱动。 首先, 利用交互式医学影 像处理模块重构骨骼模型, 并测量骨形态参数 值; 通过股骨假体个性参数分析模块分析假体设 计的个性参数; 通过构建参数表达式、 创建参数 草图、 添加约束、 扫掠等操作, 完成假体个性参数 化建模; 调整股骨假体参数, 进行假体设计匹配 验证。 该假体依据患者实际的生理特征参数, 自 动修改变量即可完成个性化建模, 不仅可以提高 设计质量和效率, 。
3、而且可以根据不同病人骨骼的 形状、 尺寸特征进行产品的设计制造, 满足生产 和临床实用需求。 权利要求书2页 说明书4页 附图6页 CN 104739548 B 2017.01.11 CN 104739548 B 1.一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统, 其特征在于, 通过该设 计系统得到的假体模型为可自动驱动的个体化假体模型, 该假体模型依据患者股骨实际的 生理特征参数自动设计获得的; 该可自动驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统包括交 互式可视化医学影像处理模块、 股骨假体个性参数分析模块、 股骨假体个性参数化建模模 块以及个性化股骨假体设计验证分析模块, 所述交互式可视化。
4、医学影像处理模块包括医学 影像三维精确建模处理模块和股骨远端形态参数测量模块, 所述医学影像三维精确建模处 理模块, 其功能在于基于交互式可视化医学影像处理软件精确重构股骨远端三维模型; 所 述股骨远端形态参数测量模块, 其功能在于基于交互式可视化医学影像处理软件测量股骨 远端形态参数值, 所述股骨实际的生理特征参数为股骨远端形态参数。 2.如权利要求1所述的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统, 其 特征在于, 所述股骨假体个性参数分析模块包括分析确定个性化膝关节股骨假体的特征结 构参数模块, 所述分析确定个性化膝关节股骨假体的特征结构参数模块, 其能够用简单的 电子计算机断层。
5、扫描(CT)/核磁共振(MRI)医学图像获取人体膝关节个性化特征参数以确 定膝关节股骨假体模型的形状和大小, 所述膝关节个性化特征参数包括股骨髁宽、 股骨外 侧髁宽、 股骨外侧髁前后径、 股骨外侧髁倾角、 股骨内侧髁倾角、 股骨内侧髁前后径、 股骨髁 间窝深以及股骨内侧髁宽。 3.如权利要求2所述的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统, 其 特征在于, 所述股骨假体个性参数化建模模块包括定义个性化设计变量单元、 股骨假体参 数化建模单元和模型的参数化验证单元, 所述定义个性化设计变量单元, 其用于构建膝关 节股骨假体模型的个性化参数表达式; 所述股骨假体参数化建模单元, 其用于得。
6、到个体化 膝关节股骨假体的参数化模型; 所述模型的参数化验证单元, 其用于修改假体模型个性化 特征参数, 检查模型是否是参数化模型, 所述假体模型个性化特征参数与膝关节个性化特 征参数对应。 4.如权利要求3所述的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统, 其 特征在于, 所述个性化股骨假体设计验证分析模块包括模拟股骨假体置换单元和假体匹配 性验证单元, 所述模拟股骨假体置换单元, 其用于将设计的个性参数化膝关节股骨假体模 型植入患者膝关节骨骼模型, 得到膝关节置换模型; 所述假体匹配性验证单元, 其用于分析 置换后膝关节股骨假体模型的匹配情况。 5.一种采用如权利要求1到4中任一项。
7、所述的基于参数化驱动的个体化人工膝关节假 体的设计系统自动驱动设计个体化膝关节假体模型的方法, 其包括以下步骤: 采用交互式可视化医学影像处理模块, 导入患者连续的膝关节断层扫描图像 (DICOM)原始数据, 所述膝关节断层扫描图像为电子计算机断层扫描(CT)/核磁共振(MRI) 图像, 根据可视化的轴状、 冠状和矢状面视图, 对股骨远端关节轮廓区域采用轮廓提取、 阈 值分割、 区域增长、 多层编辑操作, 重构膝关节股骨远端数字化三维模型, 并对三维模型数 据进行降噪处理; 根据重构的三维数据模型, 采用交互式可视化医学影像处理模块, 确定股骨髁关节 面, 用三维距离测量工具在股骨髁关节面上测。
8、量并记录股骨远端各形态参数值; 在股骨假体个性参数分析模块中, 根据测得的股骨远端各形态参数值, 分析确定股 骨远端大小及形状特征参数, 并根据股骨远端大小及形状特征参数确定股骨假体模型的个 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 104739548 B 2 性化特征结构参数; 根据确定的股骨假体模型个性化特征结构参数定义个性化设计变量, 根据设计变量 构建多个股骨假体雏型参数表达式; 对股骨假体雏型进行个性参数化建模, 绘制草图并添加尺寸约束与几何约束, 通过 对称拉伸、 添加基准面、 基准轴及修剪体、 偏置面、 拉伸裁剪、 边倒圆、 扫掠系列操作, 得到个 性化符合解剖结构的参数化膝关节。
9、股骨假体模型; 验证股骨假体参数化模型, 修改股骨假体模型个性化特征参数, 检查模型是否能顺 利实现建模, 若无法顺利实现建模, 重复上述操作, 对设计进行修改, 直到实现可参数驱动 即可, 并保存参数模型; 利用个性化股骨假体设计验证模块, 对患者股骨远端模型进行术前规划, 依照手术 方案模拟股骨远端截骨, 通过布尔运算等操作得到股骨远端截骨模型, 在软件系统模块中 用系统工具将截骨后的股骨远端模型与股骨假体模型的三维坐标系进行匹配并调整可自 动驱动的个体化膝关节股骨假体模型的参数值得到合适的假体模型, 使其与股骨远端最佳 贴合匹配, 再通过平移、 旋转、 约束操作完成关节模拟置换装配操作;。
10、 对置换后的模型进行匹配性验证, 该操作基于配合面和假体模型的生产面之间的差 别及分析股骨、 假体的应力实现。 6.如权利要求5所述的一种采用基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统 自动驱动设计个体化膝关节假体模型的方法, 其特征在于, 所述步骤、 步骤中, 股骨远 端数字化三维模型重构和股骨远端形态参数的测量通过交互式医学图像处理模块完成。 7.如权利要求5所述的一种采用基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统 自动驱动设计个体化膝关节假体模型的方法, 其特征在于, 所述步骤中, 股骨假体个性参 数化建模中涉及的操作尺寸均采用参数表达式的方式进行约束。 8.如权利要求5所述的一。
11、种采用基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统 自动驱动设计个体化膝关节假体模型的方法, 其特征在于, 所述步骤、 步骤中, 关节模 拟置换装配操作及匹配性验证是通过通用的交互式三维CAD模块完成的, 所述交互式三维 CAD模块为个性化股骨假体设计验证分析模块。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 104739548 B 3 一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统 技术领域 0001 本发明涉及个性化医学植入体的设计领域, 特别涉及基于交互式可视化医学图像 处理和计算机辅助设计技术的一种参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统。 背景技术 0002 目前, 进行人工膝。
12、关节置换成为治疗骨性关节炎、 恢复膝关节功能的有效方法, 已 得到医学界的广泛认可和接受。 据统计, 目前世界上大约有3.55亿关节疾病患者, 欧美国家 每年将有20万到30万例全膝关节置换手术(Total Knee Replacement,TKR),2013年我国髋 关节、 膝关节置换总数约有50万例, 膝关节置换数量平均每年以26.927.9的比例增 长。 然而研究表明, 膝关节解剖形态随性别、 种族不同, 差异明显。 国内外通用的系列化标准 化假体, 分为几个有限系列和规格, 难以满足患者个体化的需求, 匹配性差, 影响手术长期 效果和假体的使用寿命。 而国内外研究的定制化膝关节假体, 。
13、根据患者个体化定制, 虽然能 明显提高匹配率, 但建模效率低, 成本高, 假体可重复利用率低, 续研能力不足。 以上所述的 问题有待解决, 这就需要研究一种新的股骨假体设计系统, 在提高匹配率的同时, 缩短设计 时间, 提高效率, 满足生产和临床实用需求。 发明内容 0003 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足, 提供一种基于参数化驱动的个体 化人工膝关节假体的设计系统, 所述的这种参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系 统, 能根据患者个性化定制假体, 提高股骨假体匹配率和假体使用寿命, 建模效率高, 避免 重复劳动, 缩短产品的设计周期, 提高模型的二次应用率, 具有巨大的社会效益。
14、和经济效 益。 0004 为实现上述目的, 本发明采取以下技术方案: 一种基于参数化驱动的个体化人工 膝关节假体的设计系统, 其特征在于, 通过该设计系统得到的人工膝关节假体为参数化的 可自动驱动的假体, 该假体依据患者股骨实际的生理特征参数, 自动修改假体变量即可完 成假体个性化建模, 效率高、 匹配性好。 该个性可参数驱动股骨假体的设计系统包括: 交互 式可视化医学影像处理模块; 股骨假体个性参数分析模块; 股骨假体个性参数化建模模块; 个性化股骨假体设计验证分析模块。 0005 在一个优选的实施例中, 所述交互式可视化医学影像处理模块包括医学影像三维 精确建模处理和股骨远端形态参数测量,。
15、 所述医学影像三维精确建模处理, 其功能在于基 于交互式可视化医学影像处理软件精确重构股骨远端三维模型, 采用交互式可视化医学影 像处理模块, 导入患者医学影像数据如CT、 MRI等, 通过定义上下、 左右、 前后方向得到可视 化的轴状、 冠状和矢状面视图, 对股骨远端关节轮廓区域采用轮廓提取、 阈值分割、 区域增 长、 多层编辑等操作, 快速重构膝关节股骨远端数字化三维模型, 并对三维模型数据进行精 确降噪处理; 所述股骨远端形态参数测量, 其功能在于基于交互式可视化医学影像处理软 件测量股骨远端形态参数值, 根据重构的三维数据模型, 采用交互式可视化医学影像处理 说 明 书 1/4 页 4。
16、 CN 104739548 B 4 模块, 确定股骨髁关节面, 测量并记录股骨远端各形态参数值。 0006 在一个优选的实施例中, 所述股骨假体个性参数分析模块包括分析确定个性化膝 关节股骨假体的特征结构参数, 所述分析确定个性化膝关节股骨假体的特征结构参数, 其 用于确定膝关节股骨假体的形状和大小, 能够用医学CT/MRI数据图像获取人体膝关节个性 化主要特征参数, 根据测得的股骨远端各形态参数值, 分析确定股骨远端大小及形状的主 要参数, 由此确定股骨假体个性化的主要特征结构参数。 0007 在一个优选的实施例中, 所述股骨假体个性参数化建模模块包括定义个性化设计 变量、 股骨假体参数化建。
17、模和模型的参数化验证, 所述定义个性化设计变量, 其用于构建膝 关节股骨假体模型的个性化参数表达式, 根据确定的个性化主要特征结构参数定义个性化 设计变量, 并根据设计变量及假体结构构建多个参数表达式; 所述股骨假体参数化建模, 其 用于得到膝关节股骨假体的参数化模型, 创建参数化草图, 添加尺寸约束和几何约束, 通过 拉伸、 裁剪等操作, 初步形成假体形状, 并采用多条扫掠线构成扫掠面裁剪形成股骨远端曲 面, 然后对模型进行倒角、 面倒圆、 布尔运算等操作, 完成个性化膝关节股骨假体的参数化 模型; 所述模型的参数化验证, 其用于修改个性化主要特征参数, 检查模型是否是参数化模 型, 确定其。
18、能否快速完成建模, 此参数化模型可直接用于后续的假体设计, 而无需再次重复 建模步骤, 只需调整参数即可。 0008 在一个优选的实施例中, 所述个性化股骨假体设计验证分析模块包括模拟股骨假 体置换和假体匹配性验证, 所述模拟股骨假体置换, 其用于将设计的个性参数化膝关节股 骨假体植入患者膝关节骨骼模型, 得到膝关节置换模型, 利用个性化股骨假体设计验证模 块, 改变主要结构特征参数值调整设计的个体化假体模型与股骨远端最佳配合, 模拟股骨 远端截骨, 并在软件系统模块中用系统工具将截骨后的股骨远端模型与股骨假体的三维坐 标系匹配一致, 然后进行模拟装配; 所述假体匹配性验证, 其用于分析置换后。
19、膝关节股骨假 体的匹配情况, 基于配合面和假体的生产面之间的差别及股骨、 假体的应力分析实现。 0009 本发明的优点在于: 0010 1、 本发明首次提出采用参数化设计方法设计贴近解剖形态的个性可参数驱动的 膝关节股骨假体, 该假体依据患者股骨实际的生理特征参数, 自动修改假体变量即可完成 假体个性化建模, 彻底克服传统设计系统的弊端, 不仅可以提高产品的设计质量和设计效 率, 缩短产品的设计周期, 提高模型二次应用率, 而且可以根据不同病人骨骼的形状、 尺寸 特征进行产品的设计和制造, 满足各种需求, 设计出能与患者匹配较高的人工膝关节股骨 假体; 0011 2、 本发明提出了用简单的数据。
20、图像获取人体膝关节股骨假体个性化特征参数, 既 个性又简单易用, 满足生产和临床实用需求。 0012 3、 本发明提出的一种基于参数化驱动的个体化人工膝关节假体的设计系统, 操作 简单快捷, 通用性和实用性强, 容易得到推广。 0013 4、 本发明设计得到的参数化可自动驱动的个体化膝关节股骨假体, 可进行二次利 用, 改变参数即可得到一系列规格的假体, 续研能力强。 附图说明 0014 为了便于说明本发明的技术方案, 以下结合附图来对本发明技术方案进行详细的 说 明 书 2/4 页 5 CN 104739548 B 5 描述。 0015 图1是本发明公开的设计系统流程示意图。 0016 图2。
21、是采用交互式可视化医学影像处理模块重构出的股骨远端三维模型示意图。 0017 图3是本发明股骨远端测量参数示意图。 0018 图4是本发明定义变量及参数表达式示意图。 0019 图5是本发明草图拉伸模型示意图。 0020 图6是本发明拉伸裁剪模型示意图。 0021 图7是本发明扫掠面裁剪模型示意图。 0022 图8是本发明完成建模的参数化股骨假体模型示意图。 0023 图9是本发明改变参数前后股骨假体模型示意图。 0024 图10是本发明假体与股骨远端最优配合确定截骨面示意图。 0025 图11是本发明关节置换模型匹配示意图。 具体实施方式 0026 下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的。
22、描述。 0027 本发明的设计系统流程示意图如图1所示。 一种基于交互式可视化医学影像处理 模块、 股骨假体个性参数分析模块、 股骨假体个性参数化建模模块、 个性化股骨假体设计验 证分析模块的可自动驱动的个体化膝关节股骨假体的设计系统, 其包括以下步骤: 0028 采用交互式可视化医学影像处理模块, 导入患者连续的膝关节断层扫描图像 (DICOM)原始数据, 如电子计算机断层扫描(CT)/核磁共振(MRI)图像等, 定义上下、 左右、 前 后方向, 根据可视化的轴状、 冠状和矢状面视图, 对股骨远端关节轮廓区域采用轮廓提取、 阈值分割、 区域增长、 多层编辑等操作, 重构膝关节股骨远端数字化三。
23、维模型, 如图2所示。 如有需要, 可对三维模型数据进行降噪处理, 处理后的模型可用于骨形态参数测量、 截骨、 截骨后数据的测量、 模拟置换等; 0029 根据重构的三维数据模型, 采用交互式可视化医学影像处理模块, 确定股骨髁 关节面, 并用距离测量工具(Measure 3D distance)在股骨髁关节面上测量并记录股骨远 端各形态参数值, 测量参数如图3所示, 其中, 如图3所示中, 1为股骨髁宽, 2为股骨外侧髁 宽, 3为股骨外侧髁前后径, 4为股骨外侧髁倾角, 5为股骨内侧髁倾角, 6为股骨内侧髁前后 径, 7为股骨髁间窝深, 8为股骨内侧髁宽; 0030 股骨假体个性参数分析模。
24、块, 根据测得的股骨远端各形态参数值, 分析确定股 骨远端大小及形状的主要参数, 确定股骨髁前后径(AP)、 股骨髁内外径(ML)、 股骨髁曲率半 径为假体设计的个性化重要特征结构参数; 0031 根据确定的个性化主要特征结构参数定义个性化设计变量, 根据设计变量及假 体结构构建多个参数表达式, 定义股骨髁宽(ML)为w, 股骨髁前后径(AP)和各曲率半径分别 建立与g(定义的另一变量)相关的不同表达式; 0032 对股骨假体进行个性参数化建模, 绘制如图4所示的草图, 并添加尺寸约束与几 何约束, 其中a1为股骨髁前后径(AP), r1,r2,r3,r4为股骨髁曲率半径, 草图务必要全部约 。
25、束, 否则在参数驱动时无法成功建模; 通过对称拉伸得到如图5所示模型, 将上述操作得到 的图形通过添加基准面、 基准轴及修剪体操作, 得到如图6所示图形, 结构9为通过基准面裁 说 明 书 3/4 页 6 CN 104739548 B 6 剪得到; 进一步地, 对上述所得图形采用偏置面、 拉伸裁剪、 边倒圆等操作, 并绘制九条扫掠 线, 对偏置后的图形进行扫掠裁剪, 如图7所示; 其中, 结构10为由九条扫掠线构成的扫掠 面, 该面是形成股骨髁远端面的重要部分; 进一步地, 在上述操作的基础上, 进行草图绘制、 拉伸、 裁剪、 边倒圆等操作, 最终得到如图8所示个性化符合解剖结构的参数化膝关节。
26、股骨 假体; 0033 验证股骨假体参数化模型, 修改个性化特征参数, 检查模型是否能顺利实现建 模, 若无法顺利实现建模, 返回上步操作, 对设计进行修改, 直到实现可参数驱动即可, 并保 存参数模型; 在本实施例中, 改变与AP值、 ML值和股骨髁曲率半径相关的个性化参数变量w 和g的值, 参数化股骨假体模型变化如图9所示, 所示11表示调整参数后的假体模型, 所示12 表示调整参数前的假体模型, 所示13表示调整参数前后的假体对比模型, 此参数化模型可 直接用于后续的假体设计, 而无需再次重复建模步骤, 只需调整参数即可; 0034 利用个性化股骨假体设计验证模块, 对患者股骨远端模型进。
27、行术前规划, 调整 可自动驱动的个体化膝关节股骨假体的参数值得到合适的假体模型, 使其与股骨最佳贴合 匹配, 由此确定截骨面, 如图10假体与股骨远端最优配合确定截骨面示意图所示, 图中所示 14为截骨面一, 所示15为截骨面二,所示16为截骨面三,所示17为截骨面四, 所示18为截骨 面五,所示19为参数驱动的个体化膝关节假体; 依照手术方案模拟股骨远端截骨, 通过布尔 运算等操作得到股骨远端截骨模型, 在软件系统模块中用系统工具将截骨后的股骨远端模 型与股骨假体的三维坐标系匹配一致, 再通过平移、 旋转、 约束等操作完成关节置换装配操 作, 如图11关节置换模型匹配示意图所示; 0035 。
28、对置换后的模型进行匹配性验证, 该操作基于配合面和假体的生产面之间的差 别及分析股骨、 假体的应力实现, 由图11, 所示20为假体与股骨截骨面贴合处, 可以看出股 骨远端截骨面与假体最优配合, 此时股骨及假体应力小, 避免出现应力集中。 0036 所述步骤、 步骤中, 股骨远端数字化三维模型重构和解剖参数的测量采用交 互式医学图像处理软件为核心。 0037 所述步骤中, 股骨假体个性参数化建模中涉及的操作尺寸均采用参数表达式, 以参数表达式为核心。 0038 所述步骤、 步骤中, 模拟置换及匹配性验证以通用的交互式三维CAD系统软件 为核心。 0039 对所公开的实施例的上述说明, 使本领域。
29、专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的, 本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下, 在其它实施例中实现。 因此, 本发明 将不会被限制于本文所示的这一实施例, 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。 说 明 书 4/4 页 7 CN 104739548 B 7 图1 图2 说 明 书 附 图 1/6 页 8 CN 104739548 B 8 图3 图4 说 明 书 附 图 2/6 页 9 CN 104739548 B 9 图5 图6 说 明 书 附 图 3/6 页 10 CN 104739548 B 10 图7 图8 说 明 书 附 图 4/6 页 11 CN 104739548 B 11 图9 图10 说 明 书 附 图 5/6 页 12 CN 104739548 B 12 图11 说 明 书 附 图 6/6 页 13 CN 104739548 B 13 。