基于曲面特征的数字化骨科植入物设计方法研究

Considering such existing problems in current designing and producing orthopedic implants as imperfect matching of serialized implants with the patient's actual bone as well as low efficiency and long design cycle in designing individualized orthopedic implants, our project introduces the technology of surface feature and researches on an approach to rapidly design orthopedic implants. On the one hand, generation of mean bone models is researched so as to provide scientific basis for the design of serialized orthopedic implants and quantity proportion. On the other hand, an approach for restoring bone surface model is studied for the purpose of adapting itself to the bone differences between individual patients and rapidly designing individualized orthopedic implants. Our research work focuses on the following aspects: (1)Research on bone classification and its definition of semantic parameters, an approach is proposed for segmenting 3D bone model based on the characteristic points. (2)Extract the main parameters of bone shape and regard them as statistics, put forward an approach to generate the mean bone model based on these multivariate statistics, so as to facilitate the design of serialized orthopedic implants. (3) To rapidly restore the defective bone model, an adaptive restoration approach is proposed based on parametric deformable template, so as to realize the design of individualized orthopedic implants by making use of the restored model with damage sign. (4) Study the parametric design of implants based on surface feature and establish a hierarchy progressive editing mechanism of implants feature for the benefit of conveniently modifying implants. The research results of the project contribute to improving the design quality and efficiency of the implants.

针对现有骨科植入物设计生产中存在的系列化植入物与骨骼匹配不理想，以及个性化产品设计周期长、效率低等问题，本项目引入曲面特征技术，研究骨科植入物的快速设计方法。一方面研究平均骨骼模型的生成，为骨科植入物产品系列化提供科学依据；另一方面为适应患者个体的骨骼差异性，研究骨骼的特征模型复原方法，以快速设计个性化植入物。主要内容包括：(1)研究骨骼分类及其语义参数定义，实现基于特征点的骨骼三维网格模型分割与曲面特征模型重构；(2)抽取骨骼主要形态参数并作为统计量，提出一种基于多元统计的平均骨骼模型生成方法，以便于系列化植入物设计；(3)为快速复原缺损骨骼模型，提出基于参数化变形模板的自适应复原方法；并利用带有受损痕迹的复原模型，实现个性化植入物设计；(4)研究基于曲面特征的植入物参数化设计方法，建立一种层次递进式的植入物特征编辑机制，方便植入物修改。项目研究成果有助于提高植入物设计质量和效率。

数字骨科学是计算机数字技术与骨科临床紧密结合的一门新型数字化医学学科，数字化骨科植入物设计是数字骨科学的重要研究内容之一。针对现有骨科植入物设计生产中存在接骨板与骨骼匹配不理想，以及产品设计周期长、效率低等问题，结合临床需求，项目引入特征技术以及相关的数字化设计方法，主要研究：1）研究了一种基于参数化模板的骨骼曲面重构方法。将特征技术和参数化模板融入到曲面重构中，研究基于约束关系的参数化模板骨骼曲面重构方法，以提高了骨骼曲面模型设计的质量和效率。2）研究了一种基于特征的接骨板设计与编辑方法。首先，基于骨骼几何模型，选取感兴趣区域作为接骨板的贴合面，对该区域进行曲面重构；然后，对重构后的贴合面进行特征定义和语义参数设置，生成曲面特征；再对曲面特征设置不等厚参数，生成为一个接骨板实体特征。该方法支持参数对接骨板的编辑修改，有效地提升了接骨板特征的设计质量和效率。3)提出了基于特征点映射关系的接骨板系列化设计方法。以特征点为桥梁建立骨骼参数与接骨板贴合面参数的映射关系，通过骨骼参数生成具有不同参数的接骨板贴合面。项目为我国植入物产品设计的生成方法奠定了理论与试验基础。本项目共发表相论文15篇，SCI论文8篇，EI期刊论文6篇；申请专利12件，其中授权9件；软件著作权2件。

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