基于叶脉骨架结构的股骨柄设计方法

王淋 周玥廷

摘要：  为提高股骨柄假体与股骨髓腔的匹配程度，通过股骨关键横切面获取股骨髓腔形态参数，选取粗隆区域为感兴趣区域并构建其叶脉骨架结构，基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法构建股骨柄模型。该方法考虑股骨柄局部感兴趣区域的二次编辑修改性，操作简单、灵活、高效，并可以解决假体模型后期修改困难的问题。有限元分析结果表明，构建的股骨柄假体具有良好的力学性能。

关键词：  股骨; 股骨柄; 髓腔; 感兴趣区域; 叶脉骨架结构; 有限元

中图分类号：  TP391.99; R687.3文献标志码：  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

基金项目：  国家自然科学基金（62102345）;江苏省高等学校自然科学研究面上项目（19KJB520017）;徐州医科大学优秀人才科研启动基金（D2018017）

作者简介： 王淋（1989—），女，山东枣庄人，讲师，博士，研究方向为计算机辅助工程与设计，（E-mail）wlin_xz@163.com0引言随着社会经济发展和人民生活水平的提高，加上计算机辅助骨科系统的快速发展，接受髋关节置换手术的患者越来越多。[1]将假体柄插入到患者股骨髓腔，可以达到缓解疼痛、恢复关节活动度和改善关节功能的目的。[2]股骨柄与髓腔的良好匹配和充分密合有利于降低峡部的剪切力，增加股骨近端表面的垂直压力，有效避免假体松动、减少手术后遗症，获得良好的功能结果和长期生存率。[3]作为人工髋关节假体的重要部分，股骨柄主要参考股骨髓腔进行设计。[4]由于股骨髓腔形态特征在年龄、性别、地域等方面存在较大差异[5-6]，现有股骨柄的规格、种类有限，无法完全覆盖所有人群。特别地，粗隆区域是其中非常关键的区域，其匹配度至关重要。临床上，不能与受区骨骼形成充分解剖匹配的案例时常发生。在股骨柄设计中，提高股骨柄假体模型的二次编辑修改性能有助于快速构建与股骨髓腔高度匹配的假体。股骨柄假体设计支持二次编辑修改性已经成为重要的性能指标。近年来，国内外学者提出不少股骨柄设计方法。MEHBOOB等[7]研究表明，仿生多孔股骨柄假体结构设计更利于假体的后期3D打印。BABANIAMANSOUR等[8]优化股骨柄的几何形状，使骨和假体具有中等刚度，应力从假体均匀传递到骨，从而获得更高效、耐用的髋关节假体固定性能。刘宏伟[9]设计一种个性化股骨柄假体模型（个性化袖套+标准组配柄柄体），使得假体与股骨干骺端髓腔匹配最大化，应力传递更接近人体的自然状态。李林根[10]探索内部结构不同的股骨柄植入股骨后的应力分布情况，并对其进行综合比较，找出應力效应低的结构，并对该结构参数进行优化设计。以上研究均依据几何形状及股骨柄的受力情况，对股骨柄进行优化设计，尚未考虑股骨柄局部区域的二次编辑修改性，使得模型的后期修改存在诸多困难。将骨骼特征融入接骨板的模型，建立接骨板与骨骼特征的层次化映射关系，可提高接骨板贴合面与骨骼表面的匹配程度。[11-13]在此基础上，本文结合股骨髓腔形态，给出一种基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法。通过股骨关键横切面获取股骨髓腔中心点，测量股骨髓腔参数，构建叶脉骨架结构，进而构建层次化股骨柄模型。该方法简单、灵活、高效，可为全面了解股骨髓腔解剖形态变化提供科学合理的方法，对提高股骨柄假体与髓腔的匹配性有重要意义。

1髓腔形态参数计算

1.1髓腔中心线构建髓腔中心线是股骨柄假体设计的重要参考。根据股骨柄假体设计需求，结合临床经验及数据分析结果，确定标志性横切面，主要包括小转子中心横切面（即股骨小转子最突出点处的股骨近端横断面，记作Cm0）、小转子中点上方20 mm横切面（记作Cm0+20）、小转子中点下方20 mm横切面（记作Cm0-20）和髓腔峡部横切面（股骨干髓腔最狭窄处的横断面，记作Cm1）。髓腔中心线的构建步骤如下。步骤1：求横切面髓腔中心点;从Cm0+20开始一直到Cm1，选取一系列关键位置（由CT图的部分股骨横断面确定，见图1），求得横切面髓腔中心点。步骤2：构建股骨髓腔中心线;从股骨近端到远端，由股骨髓腔关键横切面中心点插值生成股骨髓腔中心线。

1.2关键髓腔参数不同患者的股骨髓腔差异较大，为使股骨柄与患者髓腔有较好的匹配度，需要测量股骨上段髓腔关键位置处参数，主要包括：小转子处的前后宽度、小转子处的左右宽度、小转子上20 mm处的前后宽度、小转子上20 mm处的左右宽度、小转子下20 mm处的前后宽度、小转子下20 mm处的左右宽度、髓腔狭窄部位的前后宽度等。小转子下20 mm处的左右宽度测量示意见图2。此外，还需测量颈干角、前倾角等参数。

2叶脉骨架结构

结合市场上现有的股骨柄，构造股骨柄轮廓，见图3（a）。股骨粗隆区域的贴合度直接影响手术效果，为使股骨柄更好地支持后期编辑修改，选取粗隆区域为感兴趣区域，并将其设置为叶脉骨架结构。该骨架结构主要包括主脉和侧脉。主脉主要参考股骨髓腔中心线，侧脉重点参考股骨髓腔的左右径。股骨柄结构示意见图3（b）。侧脉指第i关键位置处，以髓腔中心点为起点，沿一定角度且长度为固定值的线段，如Oi-1Ai-1、OiAi、Oi+1Ai+1、Oi-1Bi-1、OiBi、Oi+1Bi+1均为侧脉。侧脉OiAi，指以髓腔中心点Oi为起点，沿着与中心线成βi角的方向，且长度为li的线段。侧脉OiBi，指以髓腔中心点Oi为起点，沿着与中心线成αi角的方向，且长度为mi的线段。Ai-1、Ai、Ai+1、Bi-1、Bi和Bi+1构成股骨柄假体边界轮廓关键点。Oi-1与Oi之间的距离hi-1，Oi与Oi+1之间的距离hi为主脉上升的长度。同样，第i+2关键位置处，轮廓关键点Ai+2和Bi+2采用同样的方法获得，以此类推。主脉上升的长度越小，对感兴趣区域的局部调节越准确。以主脉上升2次为例，感兴趣区域的细节形状调节示意见图4。根据图3所示的参数设置，定义α1、α2、α3、β1、β2、β3、m1、m2、m3、l1、l2和l3共12个参数。保持低端30 mm不变，根据感兴趣区域参数值（见表1），可生成不同形状的区域。这表明，通过对参数的调节可以快速获得所需感兴趣区域的形状。

3股骨柄生成选择1例50岁身高175 cm的男性患者的股骨CT数据。该数据使用GE公司生产的Light Speed VCT螺旋扫描，主要参数如下：层厚0.6 mm，层间距5.0 mm，扫描时间1.5 s。在处理器为Intel（R） Core（TM） i7-950H CPU @2.60 GHz，內存为8 GB的硬件环境下，在Mimics 15.0中测量得到其股骨髓腔参数，见表2。

依据获得的股骨髓腔形态参数，在CATIA P3 V5R21平台上设计股骨柄三维模型，结果见图5。

采用有限元分析软件进行网格划分、附加材料、添加约束、载荷和结果计算[14-15]，获得股骨柄的VON MISES应力，验证股骨柄假体的有效性。第一步，对股骨柄进行网格划分，网格精度大小设置为1 mm，结果见图6，网格划分质量Aspect Ratio高达97.68%，Streth高达100%，表明网格划分结果良好。第二步，给模型附加材料，材料赋值选择金属钛，其弹性模量为1.14×1011 Pa，泊松比为0.34，密度为4 460 kg/m3，屈服强度为8.25×108 Pa。第三步，在股骨柄底部进行约束，在股骨颈处施加垂直向下的力（分别设置为500、600、700、800、900和1 000 N）。计算得到股骨柄的VON MISES应力分布见图7，由此可以看出，股骨柄的受力情况较好，柄颈和柄体的衔接处出现应力集中，且股骨柄内侧的应力略大于外侧的应力。施加不同力时股骨柄的位移云图见图8，由此可以看出，从顶部到底部，位移逐渐减小。当施加1 000 N力时，位移最大为1.97 mm，在允许的范围内。以上结果均表明根据本文方法设计的股骨柄假体具有较好的力学性能。

4结束语为提高股骨柄设计的后期编辑修改性，提出一种基于叶脉骨架结构的股骨柄假体设计方法。构建股骨柄上段感兴趣区域的叶脉骨架结构，方便股骨柄假体尺寸和形状的快速编辑和修改。有限元分析结果表明，本文所提方法简单、灵活、高效，可为股骨柄假体设计提供新方法，对提高股骨柄假体与股骨髓腔的匹配性有重要意义。参考文献：

[1]JAMES P S， ANDREW H S， PHILIP J K. 创伤骨科手术学[M]. 裴国献， 等， 译. 济南： 山东科学技术出版社， 2013.

[2]蒋涛， 孙俊英， 查国春， 等. 解剖型生物固定股骨柄假体的设计特征与临床应用效果[J]. 中国组织工程研究， 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]劉宏伟. CroweIV型成人DDH股骨近端形态测量及（EBMRP）金属3D打印个性化人工股骨柄假体研究[D]. 苏州： 苏州大学， 2015.

[10]李林根. 股骨假体柄优化设计研究[D]. 泉州： 华侨大学， 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， 陈正鸣， 等. 基于特征点映射关系的接骨板系列化设计方法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报， 2016， 28（9）： 1587-1597. DOI： 10.3969/j.issn.1003-9775.2016.09.023.

[14]王沫楠， 李鹏程， 付宜利. 股骨假体结构与材料性能分析及多目标优化[J]. 哈尔滨工业大学学报， 2016， 48（7）： 20-26. DOI： 10.11918/j.issn.0367-6234.2016.07.003.

[15]周鑫， 粟智远， 刘林林， 等. 多孔股骨假体结构设计与性能研究[J]. 机械， 2020， 47（4）： 1-5. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.001.（编辑武晓英）