[發(fā)明專利]一種基于腰椎統(tǒng)計(jì)形狀模型的椎間融合器仿生設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211306517.4
• 申請(qǐng)日: 2022-10-25
• 公開（公告）號(hào): CN115630455A
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 錢志輝;李光輝;任雷;姜振德;王坤陽;宋廣生;李鴻運(yùn);吳佳南;謝建珣;謝夏;任露泉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06T3/00;G06T17/00;G06V10/764;G06V10/77;G06V10/774
• 代理公司: 長春市四環(huán)專利事務(wù)所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張冉昕

一種基于腰椎統(tǒng)計(jì)形狀模型的椎間融合器仿生設(shè)計(jì)方法，包括醫(yī)學(xué)CT數(shù)據(jù)分割及預(yù)處理、自動(dòng)化構(gòu)建腰椎統(tǒng)計(jì)形狀模型數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計(jì)形狀模型數(shù)據(jù)庫分類分析、椎間融合器仿生設(shè)計(jì)。該方法可以自動(dòng)化生成腰椎統(tǒng)計(jì)形狀模型數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)快速有效地生成大量腰椎三維形狀模型。通過提取腰椎形狀特征并進(jìn)行分類分析與仿生設(shè)計(jì)，得到能夠滿足更大群體范圍的、更符合個(gè)體腰椎形狀的椎間融合器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明專利屬于仿生植入器械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及到一種基于腰椎統(tǒng)計(jì)形狀模型的椎間融合器仿生設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

下腰痛是常見的一種腰椎疾病，一般是由腰椎退行性改變以及特定的職業(yè)習(xí)慣引起腰椎解剖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性改變而致。

椎間融合術(shù)是目前治療下腰痛最普遍、最有效的方式，椎間融合術(shù)中采用椎間融合器進(jìn)行椎骨融合來維持腰椎穩(wěn)定性，減輕下腰痛患者的疼痛感，在支持骨生長、保持正常的腰椎生理高度有著重要作用。

文獻(xiàn)調(diào)研表明，目前對(duì)椎間融合器的開發(fā)多集中于通過調(diào)整椎間融合器的孔隙率和材料，減少椎間融合器在植入后的下沉量，從而實(shí)現(xiàn)更好的融合效果。

臨床上椎間融合器的選擇一般是由經(jīng)驗(yàn)豐富的骨科醫(yī)生根據(jù)患者的醫(yī)學(xué)圖像從商用有限幾個(gè)系列的椎間融合器中選擇較為合適尺寸的椎間融合器。

由于較大的個(gè)體差異，目前臨床大量使用的椎間融合器的形狀并不能很好的與患者椎骨上下終板和椎骨相匹配，致使患者腰椎上下終板受力不均勻，影響融合效果，易導(dǎo)致融合術(shù)后出現(xiàn)下沉等問題。

近年來，有研究者開始結(jié)合3D打印技術(shù)進(jìn)行基于特定患者定制椎間融合器，以滿足椎間融合器形狀與特定患者的椎骨上下終板貼合，但使用該方法定制椎間融合器步驟較為繁瑣，人力和時(shí)間成本高，故難以形成大規(guī)模的應(yīng)用。

統(tǒng)計(jì)形狀模型是描述物體形狀變化的有效方法，統(tǒng)計(jì)形狀模型是基于物體大樣本時(shí)，其形狀變化滿足高斯分布的原理建立，可以通過平均形狀模型與變化模式相結(jié)合的方式來描述物體形狀的變化規(guī)律。

統(tǒng)計(jì)形狀模型的出現(xiàn)，使得能夠有效快速地生成大量物體形狀模型，便于提取物體形狀變化特征，為設(shè)計(jì)更加滿足大范圍群體、更符合個(gè)體腰椎形狀的椎間融合器提供了新的設(shè)計(jì)思路。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)目前椎間融合器設(shè)計(jì)難以同時(shí)滿足更大群體需求與符合個(gè)體腰椎形狀的技術(shù)難題，提供一種基于腰椎統(tǒng)計(jì)形狀模型的椎間融合器仿生設(shè)計(jì)方法。

該方法可以有效地自動(dòng)化構(gòu)建腰椎統(tǒng)計(jì)形狀模型數(shù)據(jù)庫，并基于腰椎統(tǒng)計(jì)形狀模型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行椎間融合器仿生設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出滿足更大群體的、更符合個(gè)體腰椎形狀的仿生椎間融合器。

本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：

如圖1所示，一種基于腰椎統(tǒng)計(jì)形狀模型的椎間融合器仿生設(shè)計(jì)方法，步驟如下：

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理：將N個(gè)人體腰椎從醫(yī)學(xué)CT數(shù)據(jù)分割，重建腰椎三維形狀模型，輸出STL文件，并對(duì)腰椎三維形狀模型網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格簡化與優(yōu)化處理，作為腰椎訓(xùn)練集；

2)應(yīng)用相關(guān)算法和編寫程序，自動(dòng)化構(gòu)建腰椎統(tǒng)計(jì)形狀模型數(shù)據(jù)庫，具體步驟如下：

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

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

2.03)假定待對(duì)齊點(diǎn)集為模板點(diǎn)集為通過計(jì)算該目標(biāo)函數(shù)結(jié)果是否達(dá)到閾值，作為判斷是否停止迭代的指標(biāo)。其中，M、X為點(diǎn)集，為點(diǎn)集中點(diǎn)，T為平移矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，N_m為待對(duì)齊點(diǎn)集中點(diǎn)的數(shù)量；