基于計算機軟件的個性化人工膝關(guān)節(jié)設計與制造

石更強

（上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093）

膝關(guān)節(jié)是人體關(guān)節(jié)中結(jié)構(gòu)最復雜、功能要求最高的關(guān)節(jié)之一.目前全世界每年約有150萬例的關(guān)節(jié)置換術(shù)，我國每年人工關(guān)節(jié)置換術(shù)數(shù)量也已達到每年12萬例甚至更多，其中有約80%的假體關(guān)節(jié)是國外進口產(chǎn)品［1］，主要從西方人體關(guān)節(jié)設計與制造技術(shù)水平較高的國家引進.由于我國患者與西方患者在人種生理結(jié)構(gòu)方面有諸多的不同，我國醫(yī)學界普遍認為用引進的西方人工關(guān)節(jié)產(chǎn)品不能很好地適應我國患者的要求［2］，尤其是個別特殊患者膝關(guān)節(jié)畸變，更難找到與之相匹配的個性化膝關(guān)節(jié)假體.因為人與人之間的膝關(guān)節(jié)形狀也不一樣，個體間存在一些差異.如何高效地設計與加工出符合膝關(guān)節(jié)患者的個體化人工關(guān)節(jié)滿足病人需要，目前成為醫(yī)學界很迫切的問題.中國患類風濕性關(guān)節(jié)炎和膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的病例已達3 000多萬［3］，因此，每年有大量的膝關(guān)節(jié)患者需要接受人工膝關(guān)節(jié)置換.膝關(guān)節(jié)置換后要求假體的幾何形狀與人體相匹配，并使其植入后與人體運動規(guī)律相一致，才能使假體與周圍保留的軟組織協(xié)調(diào)運動.這一切都依賴于精確的膝關(guān)節(jié)假體設計與制造，所以，個性化人工膝關(guān)節(jié)的設計研究具有很重要的社會意義及實用價值.

本文在二維輪廓的提取過程中，采用了目前常用的計算機繪圖軟件AutoCAD進行膝關(guān)節(jié)二維輪廓的提取，并對提取的二維輪廓線進行了B樣條曲線處理，得到了精確的二維輪廓線.利用UG軟件導入由AutoCAD軟件生成的二維輪廓線，生成了膝關(guān)節(jié)三維輪廓線，利用UG軟件進行三維建模和輔助加工.

1 個性化人工膝關(guān)節(jié)的研究現(xiàn)狀

國外于20世紀60年代開展個性化人工膝關(guān)節(jié)的研究，我國80年代后期開展研究，雖然各研究機構(gòu)對人工膝關(guān)節(jié)進行了大量的設計應用研制工作［4］，但設計與制造水平與先進國家存在較大的差距.

國內(nèi)文獻［5］對個性化人工膝關(guān)節(jié)進行了研究，取得了一些成果，為個性化人工膝關(guān)節(jié)的設計與制造到臨床應用提供了一些方法與手段［5］.文獻［6］測量了國人正常膝關(guān)節(jié)的步態(tài)，同時進行了大量的相關(guān)研究，為進一步實現(xiàn)個性化人工膝關(guān)節(jié)的設計和生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)基礎［6］.武漢理工大學科研工作者利用CT掃描所獲得的膝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)重建了人體關(guān)節(jié)三維實體，還進行了個性化人工關(guān)節(jié)快速成型制造［7］.經(jīng)過科研院校的針對個性化人工膝關(guān)節(jié)的設計與制造技術(shù)的研究，目前大大地縮短了國內(nèi)和國外在人工關(guān)節(jié)設計與制造技術(shù)間的距離.

2 實驗數(shù)據(jù)獲取與處理

本文實驗在閔行區(qū)中心人民醫(yī)院里完成，獲取圖像的方法由于醫(yī)院軟件與硬件的限制，采用掃描儀掃描膝關(guān)節(jié)膠片圖像獲取數(shù)據(jù)，雖然工作量比較大，同時獲取的圖像資料經(jīng)過掃描以后有一定的影響，但只要方法恰當，實驗時細心，采用合適的方法（尤其采用了AutoCAD軟件進行二維輪廓圖像的提?。廊豢梢缘玫礁呔鹊南リP(guān)節(jié)二維圖形.本次實驗中，膝關(guān)節(jié)的CT（醫(yī)用電子計算機X射線斷層掃描技術(shù)）照片醫(yī)學影像資料由上海市閔行區(qū)中心醫(yī)院提供.圖1是膝關(guān)節(jié)股骨遠端的一部分CT圖形.

圖1 股骨遠端CT圖形Fig.1 Distal femur CT graphics

個性化人工關(guān)節(jié)計算機輔助設計與計算機輔助加工中CT圖像的獲取和膝關(guān)節(jié)二維輪廓的處理是實現(xiàn)人工膝關(guān)節(jié)設計與制造非常關(guān)鍵的步驟.目前國內(nèi)外進行人工膝關(guān)節(jié)二維輪廓提取的方法有矢量圖提取法和非矢量圖提取法.選用合適的方法進行圖形圖像處理，使獲得的矢量化二維輪廓盡量精確地反映膝關(guān)節(jié)輪廓的特征，提高膝關(guān)節(jié)三維重建的精度.國內(nèi)外很多高校、醫(yī)院等研究機構(gòu)使用的醫(yī)學圖像處理軟件基本上相同，采用的方法也類似，國內(nèi)大部分研究者都采用一系列的醫(yī)院圖像處理軟件來實現(xiàn)二維輪廓的提?。?］，很少有研究者運用非醫(yī)學圖像處理軟件來處理膝關(guān)節(jié)的圖像.本文在圖像處理的過程中采用醫(yī)學圖像處理軟件和非醫(yī)學圖像處理軟件相結(jié)合的方法對CT掃描后的膝關(guān)節(jié)圖像進行了去噪、濾波及分割等處理，得到了高質(zhì)量的膝關(guān)節(jié)圖像文件.在二維輪廓的提取過程中，采用了目前常用的計算機繪圖軟件AutoCAD進行膝關(guān)節(jié)二維輪廓的提取，并對提取的二維輪廓線進行了B樣條曲線處理，得到了精確的二維輪廓線.

當膝關(guān)節(jié)圖像經(jīng)過圖像去噪處理和圖像分割處理后，去除膝關(guān)節(jié)周圍組織，選取膝關(guān)節(jié)輪廓區(qū)域，提取二維輪廓.圖2（見下頁）選取了2個有代表性的膝關(guān)節(jié)二維輪廓線，這里主要是以膝關(guān)節(jié)股骨遠端為例，脛骨平臺二維輪廓線的提取方法與此相同.

目前對于膝關(guān)節(jié)二維輪廓的提取大多數(shù)的研究人員都采用醫(yī)學軟件，醫(yī)學軟件比較專業(yè)，操作比較復雜，需要比較多的醫(yī)學專業(yè)知識，不具備通用性.AutoCAD軟件支持多種操作平臺，具有通用性、易用性，適用于各類用戶.現(xiàn)介紹膝關(guān)節(jié)二維輪廓圖像提取的具體方法.本文二維輪廓線的提取采用了AutoCAD軟件來實現(xiàn).具體的提取步驟如圖3所示.

圖2 股骨遠端二維輪廓Fig.2 Two－dimensional outline of distal femur

圖3 二維輪廓線提取的流程Fig.3 Process of two－dimensional contour extraction

現(xiàn)舉例提取一層膝關(guān)節(jié)二維輪廓線，并擬合成B樣條曲線.

打開AutoCAD2004軟件如圖4所示.

圖4 AutoCAD2004界面Fig.4 AutoCAD2004interface

插入某層膝關(guān)節(jié)CT掃描圖像文件如圖5所示.

提取膝關(guān)節(jié)CT掃描圖像的二維輪廓線，并生成B樣條曲線，如圖6所示.

利用AutoCAD軟件逐層提取膝關(guān)節(jié)的斷層二維輪廓B樣條曲線，如圖7所示，采用該方法提取二維輪廓線方法簡單、樣條曲線精度較高.

圖5 CT掃描圖像文件Fig.5 CT scan image file

圖6 膝關(guān)節(jié)斷層二維輪廓Fig.6 Two－dimensional profile of knee joint fault

圖7 股骨遠端三維B樣條曲線Fig.7 3DB－spline curve of distal femur

3 運用UG軟件進行膝關(guān)節(jié)骨骼三維實體建模

UG是美國EDS（Electronic Data Systems Corporation）旗下PLM Solution－UGS 公司集CAD／CAM／CAE于一體的大型集成軟件系統(tǒng)［9］.在UG平臺上導入前面的股骨三維樣條曲線，生成三維曲面.利用UG軟件的布爾運算功能，使用股骨曲面去裁截一個實體，得到股骨實體模型，如圖8所示.采用同樣的方法也可以得到非常精確的脛骨實體模型，如圖9所示.

圖8 股骨遠端實體模型Fig.8 Entity model of distal femur

圖9 脛骨平臺實體模型Fig.9 Entity model of tibial plateau

4 利用UGNX4.0的加工模塊進行膝關(guān)節(jié)骨骼輔助加工

假體的外形非常復雜且加工精度要求很高，傳統(tǒng)的加工方法很難達到要求［10］.隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，為假體的加工提供了精度保證.數(shù)控機床利用數(shù)控程序來控制刀具的加工軌跡，編寫正確的數(shù)控程序成為關(guān)鍵［11］.膝關(guān)節(jié)的曲面要靠人工編寫程序，工作量非常大，而且還很難得到正確的數(shù)控程序.利用UG軟件加工模塊，通過設置相應的加工參數(shù)，可以自動生成膝關(guān)節(jié)加工數(shù)控程序，將生成的數(shù)控程序傳輸?shù)綌?shù)控機床進行加工，就能得到個性化的、精度非常高的膝關(guān)節(jié).

4.1 生成膝關(guān)節(jié)加工的三維刀具路徑

導入膝關(guān)節(jié)股骨實體模型，進入其加工模塊，設置相應的加工參數(shù)，便可以生成加工膝關(guān)節(jié)股骨的三維刀具路徑，如圖10（a）所示.同樣可以得到脛骨的三維刀具路徑，如圖10（b）所示.

4.2 輔助加工過程動態(tài)模擬

利用UG軟件的動態(tài)模擬加工功能可以觀察到

圖10 股骨與脛骨加工三維刀具路徑Fig.10 3Dtool path of femur and tibia processing

4.3 后處理生成數(shù)控代碼

以下是生成的部分數(shù)控代碼，這些代碼可以傳輸?shù)綌?shù)控機床進行加工.

圖11 股骨與脛骨模擬加工后的模型Fig.11 Analog processing model of femur and tibia

5 結(jié)束語

作者在后續(xù)的論文中將對這項新技術(shù)進行評價，探討如何實現(xiàn)這項新技術(shù)在臨床中的應用，探討人工關(guān)節(jié)功能的合理性.

［1］吳永輝，李滌塵，盧秉恒，等.基于RP的生物活性仿生制造研究［J］.中國機械工程，2000，11（10）：1090－1093.

［2］張虎，李迪塵，孫明林，等.定制化單側(cè)膝關(guān)節(jié)假體設計與快速制造方法研究［J］.北京生物醫(yī)學工程，2003，22（4）：266－268.

［3］王臻，膝勇，李迪塵，等.基于快速成型的個體化人工半膝關(guān)節(jié)的研制——計算機輔助設計與制造［J］.中國修復重建外科雜志，2004，18（5）：347－351.

［4］滕勇，王臻，李迪塵，等.快速成型的個體化人工半膝關(guān)節(jié)的研制——股骨髁的三維建模［J］.中國修復重建外科雜志，2004，18（4）：257－260.

［5］陳作炳.人工關(guān)節(jié)CAD／CAM相關(guān)理論及其關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢：武漢理工大學，2004.

［6］何金保.基于UG軟件集成制造系統(tǒng)的研究與應用［D］.昆明：昆明理工大學，2005.

［7］周飛虎.國人正常膝關(guān)節(jié)三維幾何形態(tài)測量及相關(guān)研究［D］.北京：解放軍軍醫(yī)進修學院，2003.

［8］張建宏.基于功能的個性化人工膝關(guān)節(jié)設計研究［D］.武漢：武漢理工大學，2007.

［9］郭曉東，鄭啟新.用組織工程學技術(shù)修復骨缺損研究進展［J］.國外醫(yī)學，生物醫(yī)學工程分冊，2004，27（5）：270－273.

［10］Guo L，Zhao Y Y.The experimental research of the vertical stress affecting to the load distribution on the pelvic loop［J］.Chinese Medical University Academic Paper，2002，31（3）：195－196.

［11］陳永平，施明恒.基于分形理論的多孔介質(zhì)滲透率的研究［J］.清華大學學報，2000，40（12）：94－97.