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(guò)股骨關(guān)鍵橫切面獲取股骨髓腔形態(tài)參數(shù)，選取粗隆區(qū)域?yàn)楦信d趣區(qū)域并構(gòu)建其葉脈骨架結(jié)構(gòu)，基于葉脈骨架結(jié)構(gòu)的股骨柄假體設(shè)計(jì)方法構(gòu)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(jiǎn)單、靈活、高效，并可以解決假體模型后期修改困難的問(wèn)題。有限元分析結(jié)果表明，構(gòu)建的股骨柄假體具有良好的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：? 股骨; 股骨柄; 髓腔; 感興趣區(qū)域; 葉脈骨架結(jié)構(gòu); 有限元

中圖分類號(hào)：? TP391.99; R687.3文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：? 國(guó)家自然科學(xué)基金（62102345）;江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（19KJB520017）;徐州醫(yī)科大學(xué)優(yōu)秀人才科研啟動(dòng)基金（D2018017）

作者簡(jiǎn)介： 王淋（1989—），女，山東棗莊人，講師，博士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助工程與設(shè)計(jì)，（E-mail）wlin_xz@163.com0引言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，加上計(jì)算機(jī)輔助骨科系統(tǒng)的快速發(fā)展，接受髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的患者越來(lái)越多。[1]將假體柄插入到患者股骨髓腔，可以達(dá)到緩解疼痛、恢復(fù)關(guān)節(jié)活動(dòng)度和改善關(guān)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(dòng)、減少手術(shù)后遺癥，獲得良好的功能結(jié)果和長(zhǎng)期生存率。[3]作為人工髖關(guān)節(jié)假體的重要部分，股骨柄主要參考股骨髓腔進(jìn)行設(shè)計(jì)。[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(xiàn)有股骨柄的規(guī)格、種類有限，無(wú)法完全覆蓋所有人群。特別地，粗隆區(qū)域是其中非常關(guān)鍵的區(qū)域，其匹配度至關(guān)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(shí)常發(fā)生。在股骨柄設(shè)計(jì)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(gòu)建與股骨髓腔高度匹配的假體。股骨柄假體設(shè)計(jì)支持二次編輯修改性已經(jīng)成為重要的性能指標(biāo)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出不少股骨柄設(shè)計(jì)方法。MEHBOOB等[7]研究表明，仿生多孔股骨柄假體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)力從假體均勻傳遞到骨，從而獲得更高效、耐用的髖關(guān)節(jié)假體固定性能。劉宏偉[9]設(shè)計(jì)一種個(gè)性化股骨柄假體模型（個(gè)性化袖套+標(biāo)準(zhǔn)組配柄柄體），使得假體與股骨干骺端髓腔匹配最大化，應(yīng)力傳遞更接近人體的自然狀態(tài)。李林根[10]探索內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的股骨柄植入股骨后的應(yīng)力分布情況，并對(duì)其進(jìn)行綜合比較，找出應(yīng)力效應(yīng)低的結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上研究均依據(jù)幾何形狀及股骨柄的受力情況，對(duì)股骨柄進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(guān)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(chǔ)上，本文結(jié)合股骨髓腔形態(tài)，給出一種基于葉脈骨架結(jié)構(gòu)的股骨柄假體設(shè)計(jì)方法。通過(guò)股骨關(guān)鍵橫切面獲取股骨髓腔中心點(diǎn)，測(cè)量股骨髓腔參數(shù)，構(gòu)建葉脈骨架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而構(gòu)建層次化股骨柄模型。該方法簡(jiǎn)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(xué)合理的方法，對(duì)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(shù)計(jì)算

1.1髓腔中心線構(gòu)建髓腔中心線是股骨柄假體設(shè)計(jì)的重要參考。根據(jù)股骨柄假體設(shè)計(jì)需求，結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確定標(biāo)志性橫切面，主要包括小轉(zhuǎn)子中心橫切面（即股骨小轉(zhuǎn)子最突出點(diǎn)處的股骨近端橫斷面，記作Cm0）、小轉(zhuǎn)子中點(diǎn)上方20 mm橫切面（記作Cm0+20）、小轉(zhuǎn)子中點(diǎn)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(gòu)建步驟如下。步驟1：求橫切面髓腔中心點(diǎn);從Cm0+20開始一直到Cm1，選取一系列關(guān)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(diǎn)。步驟2：構(gòu)建股骨髓腔中心線;從股骨近端到遠(yuǎn)端，由股骨髓腔關(guān)鍵橫切面中心點(diǎn)插值生成股骨髓腔中心線。

1.2關(guān)鍵髓腔參數(shù)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(cè)量股骨上段髓腔關(guān)鍵位置處參數(shù)，主要包括：小轉(zhuǎn)子處的前后寬度、小轉(zhuǎn)子處的左右寬度、小轉(zhuǎn)子上20 mm處的前后寬度、小轉(zhuǎn)子上20 mm處的左右寬度、小轉(zhuǎn)子下20 mm處的前后寬度、小轉(zhuǎn)子下20 mm處的左右寬度、髓腔狹窄部位的前后寬度等。小轉(zhuǎn)子下20 mm處的左右寬度測(cè)量示意見圖2。此外，還需測(cè)量頸干角、前傾角等參數(shù)。

2葉脈骨架結(jié)構(gòu)

結(jié)合市場(chǎng)上現(xiàn)有的股骨柄，構(gòu)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(shù)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?yàn)楦信d趣區(qū)域，并將其設(shè)置為葉脈骨架結(jié)構(gòu)。該骨架結(jié)構(gòu)主要包括主脈和側(cè)脈。主脈主要參考股骨髓腔中心線，側(cè)脈重點(diǎn)參考股骨髓腔的左右徑。股骨柄結(jié)構(gòu)示意見圖3（b）。側(cè)脈指第i關(guān)鍵位置處，以髓腔中心點(diǎn)為起點(diǎn)，沿一定角度且長(zhǎng)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(cè)脈。側(cè)脈OiAi，指以髓腔中心點(diǎn)Oi為起點(diǎn)，沿著與中心線成βi角的方向，且長(zhǎng)度為li的線段。側(cè)脈OiBi，指以髓腔中心點(diǎn)Oi為起點(diǎn)，沿著與中心線成αi角的方向，且長(zhǎng)度為mi的線段。Ai-1、Ai、Ai+1、Bi-1、Bi和Bi+1構(gòu)成股骨柄假體邊界輪廓關(guān)鍵點(diǎn)。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(zhǎng)度。同樣，第i+2關(guān)鍵位置處，輪廓關(guān)鍵點(diǎn)Ai+2和Bi+2采用同樣的方法獲得，以此類推。主脈上升的長(zhǎng)度越小，對(duì)感興趣區(qū)域的局部調(diào)節(jié)越準(zhǔn)確。以主脈上升2次為例，感興趣區(qū)域的細(xì)節(jié)形狀調(diào)節(jié)示意見圖4。根據(jù)圖3所示的參數(shù)設(shè)置，定義α1、α2、α3、β1、β2、β3、m1、m2、m3、l1、l2和l3共12個(gè)參數(shù)。保持低端30 mm不變，根據(jù)感興趣區(qū)域參數(shù)值（見表1），可生成不同形狀的區(qū)域。這表明，通過(guò)對(duì)參數(shù)的調(diào)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(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)使用GE公司生產(chǎn)的Light Speed VCT螺旋掃描，主要參數(shù)如下：層厚0.6 mm，層間距5.0 mm，掃描時(shí)間1.5 s。在處理器為Intel（R） Core（TM） i7-950H CPU @2.60 GHz，內(nèi)存為8 GB的硬件環(huán)境下，在Mimics 15.0中測(cè)量得到其股骨髓腔參數(shù)，見表2。

依據(jù)獲得的股骨髓腔形態(tài)參數(shù)，在CATIA P3 V5R21平臺(tái)上設(shè)計(jì)股骨柄三維模型，結(jié)果見圖5。

采用有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、附加材料、添加約束、載荷和結(jié)果計(jì)算[14-15]，獲得股骨柄的VON MISES應(yīng)力，驗(yàn)證股骨柄假體的有效性。第一步，對(duì)股骨柄進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格精度大小設(shè)置為1 mm，結(jié)果見圖6，網(wǎng)格劃分質(zhì)量Aspect Ratio高達(dá)97.68%，Streth高達(dá)100%，表明網(wǎng)格劃分結(jié)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(qiáng)度為8.25×108 Pa。第三步，在股骨柄底部進(jìn)行約束，在股骨頸處施加垂直向下的力（分別設(shè)置為500、600、700、800、900和1 000 N）。計(jì)算得到股骨柄的VON MISES應(yīng)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(xiàn)應(yīng)力集中，且股骨柄內(nèi)側(cè)的應(yīng)力略大于外側(cè)的應(yīng)力。施加不同力時(shí)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(dāng)施加1 000 N力時(shí)，位移最大為1.97 mm，在允許的范圍內(nèi)。以上結(jié)果均表明根據(jù)本文方法設(shè)計(jì)的股骨柄假體具有較好的力學(xué)性能。

4結(jié)束語(yǔ)為提高股骨柄設(shè)計(jì)的后期編輯修改性，提出一種基于葉脈骨架結(jié)構(gòu)的股骨柄假體設(shè)計(jì)方法。構(gòu)建股骨柄上段感興趣區(qū)域的葉脈骨架結(jié)構(gòu)，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(jié)果表明，本文所提方法簡(jiǎn)單、靈活、高效，可為股骨柄假體設(shè)計(jì)提供新方法，對(duì)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(xiàn)：

[1]JAMES P S， ANDREW H S， PHILIP J K. 創(chuàng)傷骨科手術(shù)學(xué)[M]. 裴國(guó)獻(xiàn)， 等， 譯. 濟(jì)南： 山東科學(xué)技術(shù)出版社， 2013.

[2]蔣濤， 孫俊英， 查國(guó)春， 等. 解剖型生物固定股骨柄假體的設(shè)計(jì)特征與臨床應(yīng)用效果[J]. 中國(guó)組織工程研究， 2014， 18（40）： 6425-6431. DOI： 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.40.006.

[3]JACQUET C， FLECHER X， PIOGER C， et al. Long-term results of custom-made femoral stems[J]. Orthopedics， 2020， 49（5）： 408-416. DOI： 10.1007/s00132-020-03901-z.

[4]WEGRZYN J， ROUX J P， LORIAU C， et al. Tridimensional geometry of the proximal femur should determine design of cementless femoral stem in total hip arthroplasty[J]. International Orthopaedics， 2018， 42（10）： 2329-2334. DOI： 10.1007/s00264-018-3843-9.

[5]SOODMAND E， ZHENG G Y， STEENS W， et al. Surgically relevant morphological parameters of proximal human femur： A statistical analysis based on 3D reconstruction of CT data[J]. Orthopaedic Surgrery， 2019， 11（1）： 135-142. DOI： 10.1111/os.12416.

[6]WUESTEMANN T， HOARE S G， PETERSIK A， et al. Bone morphology of proximal femoral canal： Ethnicity related differences and the influence on cementless tapered wedge stem designs[J]. Hip International， 2021， 31（4）： 482-491. DOI： 10.1177/1120700019895458.

[7]MEHBOOB H， TARLOCHAN F， MEHBOOB A， et al. A novel design， analysis and 3D printing of Ti-6Al-4V alloy bio-inspired porous femoral stem[J]. Journal of Materials Science： Materials in Medicine， 2020， 31（9）： 31-78.

[8]BABANIAMANSOUR P， EBRAHIMIAN-HOSSEINABADI M， ZARGAR-KHARAZI A. Designing an optimized novel femoral stem[J]. Journal of Medical Signals and Sensors， 2017， 7（3）： 170-177.

[9]劉宏偉. CroweIV型成人DDH股骨近端形態(tài)測(cè)量及（EBMRP）金屬3D打印個(gè)性化人工股骨柄假體研究[D]. 蘇州： 蘇州大學(xué)， 2015.

[10]李林根. 股骨假體柄優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 泉州： 華僑大學(xué)， 2017.

[11]WANG L， GUO K J， HE K J， et al. Bone morphological feature extraction for customized bone plate design[J]. Scientific Reports， 2021， 11（1）： 15617 DOI： 10.1038/s41598-021-94924-9.

[12]WANG L， HE K J， CHEN Z M， et al. A design method for orthopedic plates based on surface features[J]. Journal of Mechanical Design， 2017， 139（2）： 1-4. DOI： 10.1115/1.4035320.

[13]王淋， 何坤金， 陳正鳴， 等. 基于特征點(diǎn)映射關(guān)系的接骨板系列化設(shè)計(jì)方法[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 28（9）： 1587-1597. DOI： 10.3969/j.issn.1003-9775.2016.09.023.

[14]王沫楠， 李鵬程， 付宜利. 股骨假體結(jié)構(gòu)與材料性能分析及多目標(biāo)優(yōu)化[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 48（7）： 20-26. DOI： 10.11918/j.issn.0367-6234.2016.07.003.

[15]周鑫， 粟智遠(yuǎn)， 劉林林， 等. 多孔股骨假體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究[J]. 機(jī)械， 2020， 47（4）： 1-5. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.001.（編輯武曉英）