基于葉脈骨架結構的股骨柄設計方法

王淋 周玥廷

摘要：? 為提高股骨柄假體與股骨髓腔的匹配程度，通過股骨關鍵橫切面獲取股骨髓腔形態(tài)參數，選取粗隆區(qū)域為感興趣區(qū)域并構建其葉脈骨架結構，基于葉脈骨架結構的股骨柄假體設計方法構建股骨柄模型。該方法考慮股骨柄局部感興趣區(qū)域的二次編輯修改性，操作簡單、靈活、高效，并可以解決假體模型后期修改困難的問題。有限元分析結果表明，構建的股骨柄假體具有良好的力學性能。

關鍵詞：? 股骨; 股骨柄; 髓腔; 感興趣區(qū)域; 葉脈骨架結構; 有限元

中圖分類號：? TP391.99; R687.3文獻標志碼：? B

Design method of femoral stem based on

vein skeleton structure

WANG Lin， ZHOU Yueting

（School of Medical Information and Engineering， Xuzhou Medical University， Xuzhou 221004， Jiangsu， China）

Abstract： To improving the matching degree between femoral stem prosthesis and femoral medullary cavity， the morphological parameters of femoral medullary cavity are obtained from the key cross section of femur， and the tuberosity region is selected as the region of interest and its? vein skeleton structure is constructed， and then the femoral stem model is constructed using the design method of femoral stem prosthesis based on? vein skeleton structure. The secondary editing modifiability of the local region of interest of the femoral stem is considered， and the operation is simple， flexible and efficient. The? modification? difficulty of prosthesis model in the later stage can be solved by this method. The results of finite element analysis show that the femoral stem prosthesis has good mechanical properties.

Key words： femur; femoral stem; medullary cavity; region of interest; vein skeleton structure; finite element

收稿日期：? 2021-10-10修回日期：? 2021-11-02

基金項目：? 國家自然科學基金（62102345）;江蘇省高等學校自然科學研究面上項目（19KJB520017）;徐州醫(yī)科大學優(yōu)秀人才科研啟動基金（D2018017）

作者簡介： 王淋（1989—），女，山東棗莊人，講師，博士，研究方向為計算機輔助工程與設計，（E-mail）wlin_xz@163.com0引言隨著社會經濟發(fā)展和人民生活水平的提高，加上計算機輔助骨科系統(tǒng)的快速發(fā)展，接受髖關節(jié)置換手術的患者越來越多。[1]將假體柄插入到患者股骨髓腔，可以達到緩解疼痛、恢復關節(jié)活動度和改善關節(jié)功能的目的。[2]股骨柄與髓腔的良好匹配和充分密合有利于降低峽部的剪切力，增加股骨近端表面的垂直壓力，有效避免假體松動、減少手術后遺癥，獲得良好的功能結果和長期生存率。[3]作為人工髖關節(jié)假體的重要部分，股骨柄主要參考股骨髓腔進行設計。[4]由于股骨髓腔形態(tài)特征在年齡、性別、地域等方面存在較大差異[5-6]，現有股骨柄的規(guī)格、種類有限，無法完全覆蓋所有人群。特別地，粗隆區(qū)域是其中非常關鍵的區(qū)域，其匹配度至關重要。臨床上，不能與受區(qū)骨骼形成充分解剖匹配的案例時常發(fā)生。在股骨柄設計中，提高股骨柄假體模型的二次編輯修改性能有助于快速構建與股骨髓腔高度匹配的假體。股骨柄假體設計支持二次編輯修改性已經成為重要的性能指標。近年來，國內外學者提出不少股骨柄設計方法。MEHBOOB等[7]研究表明，仿生多孔股骨柄假體結構設計更利于假體的后期3D打印。BABANIAMANSOUR等[8]優(yōu)化股骨柄的幾何形狀，使骨和假體具有中等剛度，應力從假體均勻傳遞到骨，從而獲得更高效、耐用的髖關節(jié)假體固定性能。劉宏偉[9]設計一種個性化股骨柄假體模型（個性化袖套+標準組配柄柄體），使得假體與股骨干骺端髓腔匹配最大化，應力傳遞更接近人體的自然狀態(tài)。李林根[10]探索內部結構不同的股骨柄植入股骨后的應力分布情況，并對其進行綜合比較，找出應力效應低的結構，并對該結構參數進行優(yōu)化設計。以上研究均依據幾何形狀及股骨柄的受力情況，對股骨柄進行優(yōu)化設計，尚未考慮股骨柄局部區(qū)域的二次編輯修改性，使得模型的后期修改存在諸多困難。將骨骼特征融入接骨板的模型，建立接骨板與骨骼特征的層次化映射關系，可提高接骨板貼合面與骨骼表面的匹配程度。[11-13]在此基礎上，本文結合股骨髓腔形態(tài)，給出一種基于葉脈骨架結構的股骨柄假體設計方法。通過股骨關鍵橫切面獲取股骨髓腔中心點，測量股骨髓腔參數，構建葉脈骨架結構，進而構建層次化股骨柄模型。該方法簡單、靈活、高效，可為全面了解股骨髓腔解剖形態(tài)變化提供科學合理的方法，對提高股骨柄假體與髓腔的匹配性有重要意義。

1髓腔形態(tài)參數計算

1.1髓腔中心線構建髓腔中心線是股骨柄假體設計的重要參考。根據股骨柄假體設計需求，結合臨床經驗及數據分析結果，確定標志性橫切面，主要包括小轉子中心橫切面（即股骨小轉子最突出點處的股骨近端橫斷面，記作Cm0）、小轉子中點上方20 mm橫切面（記作Cm0+20）、小轉子中點下方20 mm橫切面（記作Cm0-20）和髓腔峽部橫切面（股骨干髓腔最狹窄處的橫斷面，記作Cm1）。髓腔中心線的構建步驟如下。步驟1：求橫切面髓腔中心點;從Cm0+20開始一直到Cm1，選取一系列關鍵位置（由CT圖的部分股骨橫斷面確定，見圖1），求得橫切面髓腔中心點。步驟2：構建股骨髓腔中心線;從股骨近端到遠端，由股骨髓腔關鍵橫切面中心點插值生成股骨髓腔中心線。

1.2關鍵髓腔參數不同患者的股骨髓腔差異較大，為使股骨柄與患者髓腔有較好的匹配度，需要測量股骨上段髓腔關鍵位置處參數，主要包括：小轉子處的前后寬度、小轉子處的左右寬度、小轉子上20 mm處的前后寬度、小轉子上20 mm處的左右寬度、小轉子下20 mm處的前后寬度、小轉子下20 mm處的左右寬度、髓腔狹窄部位的前后寬度等。小轉子下20 mm處的左右寬度測量示意見圖2。此外，還需測量頸干角、前傾角等參數。

2葉脈骨架結構

結合市場上現有的股骨柄，構造股骨柄輪廓，見圖3（a）。股骨粗隆區(qū)域的貼合度直接影響手術效果，為使股骨柄更好地支持后期編輯修改，選取粗隆區(qū)域為感興趣區(qū)域，并將其設置為葉脈骨架結構。該骨架結構主要包括主脈和側脈。主脈主要參考股骨髓腔中心線，側脈重點參考股骨髓腔的左右徑。股骨柄結構示意見圖3（b）。側脈指第i關鍵位置處，以髓腔中心點為起點，沿一定角度且長度為固定值的線段，如Oi-1Ai-1、OiAi、Oi+1Ai+1、Oi-1Bi-1、OiBi、Oi+1Bi+1均為側脈。側脈OiAi，指以髓腔中心點Oi為起點，沿著與中心線成βi角的方向，且長度為li的線段。側脈OiBi，指以髓腔中心點Oi為起點，沿著與中心線成αi角的方向，且長度為mi的線段。Ai-1、Ai、Ai+1、Bi-1、Bi和Bi+1構成股骨柄假體邊界輪廓關鍵點。Oi-1與Oi之間的距離hi-1，Oi與Oi+1之間的距離hi為主脈上升的長度。同樣，第i+2關鍵位置處，輪廓關鍵點Ai+2和Bi+2采用同樣的方法獲得，以此類推。主脈上升的長度越小，對感興趣區(qū)域的局部調節(jié)越準確。以主脈上升2次為例，感興趣區(qū)域的細節(jié)形狀調節(jié)示意見圖4。根據圖3所示的參數設置，定義α1、α2、α3、β1、β2、β3、m1、m2、m3、l1、l2和l3共12個參數。保持低端30 mm不變，根據感興趣區(qū)域參數值（見表1），可生成不同形狀的區(qū)域。這表明，通過對參數的調節(jié)可以快速獲得所需感興趣區(qū)域的形狀。

3股骨柄生成選擇1例50歲身高175 cm的男性患者的股骨CT數據。該數據使用GE公司生產的Light Speed VCT螺旋掃描，主要參數如下：層厚0.6 mm，層間距5.0 mm，掃描時間1.5 s。在處理器為Intel（R） Core（TM） i7-950H CPU @2.60 GHz，內存為8 GB的硬件環(huán)境下，在Mimics 15.0中測量得到其股骨髓腔參數，見表2。

依據獲得的股骨髓腔形態(tài)參數，在CATIA P3 V5R21平臺上設計股骨柄三維模型，結果見圖5。

采用有限元分析軟件進行網格劃分、附加材料、添加約束、載荷和結果計算[14-15]，獲得股骨柄的VON MISES應力，驗證股骨柄假體的有效性。第一步，對股骨柄進行網格劃分，網格精度大小設置為1 mm，結果見圖6，網格劃分質量Aspect Ratio高達97.68%，Streth高達100%，表明網格劃分結果良好。第二步，給模型附加材料，材料賦值選擇金屬鈦，其彈性模量為1.14×1011 Pa，泊松比為0.34，密度為4 460 kg/m3，屈服強度為8.25×108 Pa。第三步，在股骨柄底部進行約束，在股骨頸處施加垂直向下的力（分別設置為500、600、700、800、900和1 000 N）。計算得到股骨柄的VON MISES應力分布見圖7，由此可以看出，股骨柄的受力情況較好，柄頸和柄體的銜接處出現應力集中，且股骨柄內側的應力略大于外側的應力。施加不同力時股骨柄的位移云圖見圖8，由此可以看出，從頂部到底部，位移逐漸減小。當施加1 000 N力時，位移最大為1.97 mm，在允許的范圍內。以上結果均表明根據本文方法設計的股骨柄假體具有較好的力學性能。

4結束語為提高股骨柄設計的后期編輯修改性，提出一種基于葉脈骨架結構的股骨柄假體設計方法。構建股骨柄上段感興趣區(qū)域的葉脈骨架結構，方便股骨柄假體尺寸和形狀的快速編輯和修改。有限元分析結果表明，本文所提方法簡單、靈活、高效，可為股骨柄假體設計提供新方法，對提高股骨柄假體與股骨髓腔的匹配性有重要意義。參考文獻：

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