[發明專利]一種基于腰椎統計形狀模型的椎間融合器仿生設計方法

在審

• 申請號: 202211306517.4
• 申請日: 2022-10-25
• 公開（公告）號: CN115630455A
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發明（設計）人: 錢志輝;李光輝;任雷;姜振德;王坤陽;宋廣生;李鴻運;吳佳南;謝建珣;謝夏;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06T3/00;G06T17/00;G06V10/764;G06V10/77;G06V10/774
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張冉昕

1.一種基于腰椎統計形狀模型的椎間融合器仿生設計方法，其特征在于：步驟如下：

1)數據預處理：將N個人體腰椎從醫學CT數據分割，重建腰椎三維形狀模型，輸出STL文件，并對腰椎三維形狀模型網格進行網格簡化與優化處理，作為腰椎訓練集；

2)應用相關算法和編寫程序，自動化構建腰椎統計形狀模型數據庫；

3)對腰椎統計形狀模型數據庫分類分析，形成腰椎統計形狀模型子數據庫，并對每個子數據庫求平均形狀模型；

4)依據每個子數據庫的平均形狀模型進行椎間融合器仿生設計。

2.根據權利要求1所述的一種基于腰椎統計形狀模型的椎間融合器仿生設計方法，其特征在于：所述的步驟2)中的自動化構建腰椎統計形狀模型數據庫，步驟如下：

2.01)任意選取訓練集中一個腰椎三維形狀模型作為模板模型，通過最近點迭代算法，將剩余的腰椎三維形狀模型對齊到模板模型；

2.02)該算法是通過旋轉、平移等變換，使兩個點集盡可能重合，減少由于旋轉、平移等帶來的形狀誤差；

2.03)假定待對齊點集為模板點集為通過計算該目標函數結果是否達到閾值，作為判斷是否停止迭代的指標。其中，M、X為點集，為點集中點，T為平移矩陣，R為旋轉矩陣，N_m為模板點集中點的數量；

2.04)為了使不同點數的腰椎三維形狀模型統一為相同的點數，并建立點與點之間的對應關系，采取非剛性最近點迭代算法將模板模型配準到對齊后的腰椎三維形狀模型；

2.05)該算法在剛性變換的基礎上加入了仿射變換，從而使模板模型變形到待配準腰椎三維形狀模型之上，完成配準過程，建立模板模型與待配腰椎三維形狀模型點與點之間的對應關系，得到新的腰椎訓練集；

2.06)將配準后的腰椎訓練集進行主成分分析：

2.07)計算腰椎訓練集平均形狀模型：n表示腰椎訓練集中腰椎三維形狀模型的個數，X_i表示腰椎三維形狀模型；

2.08)計算腰椎訓練集的協方差矩陣：

2.09)對協方差矩陣求特征向量與特征Sφ_i＝λ_iφ_i，其中λ_i表示特征值，φ_i表示特征向量，特征向量即表示形狀變化的主要模式，特征值表示該主成分上方差，特征值越大表示在其對應特征向量方向上保留的數據量越大；

2.10)腰椎統計形狀模型數據庫可表示為t表示對特征值從大到小進行排序，前t個特征值，形狀參數b_i獨立且服從(0，λ_i)的高斯分布，為控制形狀的變化范圍，一般取

2.11)執行編寫的自動化程序，自動生成腰椎統計形狀模型數據庫。

3.根據權利要求1所述的一種基于腰椎統計形狀模型的椎間融合器仿生設計方法，其特征在于：所述的3)中的對腰椎統計形狀模型數據庫分類分析，形成腰椎統計形狀模型子數據庫，并對每個子數據庫求平均形狀模型，步驟如下：

3.01)通過鏡像法求得腰椎統計形狀模型數據庫中每個形狀模型的正中矢狀面；

3.02)鏡像法中需將腰椎三維形狀模型以任意一矢狀面進行鏡像操作，得到新的模型，新模型與原模型通過最近點迭代算法進行對齊，將對齊后的兩個模型作為一個整體，求得其對稱面，即正中矢狀面；

3..04)提取所需腰椎解剖學特征，即在腰椎統計形狀模型數據庫中每個腰椎三維形狀模型的矢狀面上進行椎間盤高度與節段前凸角的測量；

3.04)以椎間盤高度和節段前凸角大小為標準對腰椎統計形狀模型數據庫進行分類分析，將不同椎間盤高度以及不同節段前凸角的腰椎三維形狀模型分類；

3.05)經過分類分析后，形成多個子數據庫，并對子數據庫求平均形狀模型即作為仿生設計的腰椎三維形狀模型，j為每個子數據庫中腰椎三維形狀模型的個數，X_i表示子數據庫中腰椎三維形狀模型。

4.根據權利要求1所述的一種基于腰椎統計形狀模型的椎間融合器仿生設計方法，其特征在于：所述的4)中的依據每個子數據庫的平均形狀模型進行椎間融合器仿生設計，步驟如下：

4.01)提取設計所需設計面，提取每個子數據庫平均形狀模型的相鄰兩個椎骨的上終板面與下終板面；

4.02)依據提取的設計面，進行仿生設計，從而形成一系列的具有仿生形狀的椎間融合器。