膝关节假体置换发展及数字化成型技术的应用

背景：随着膝关节假体材料及生物力学研究的不断深入,假体设计不断更新。如何提高假体置入的几何精度,重建生物学意义上的膝关节,一直是临床关注的核心问题。 目的：总结不同膝关节假体的临床应用概况,探索膝关节三维重建个体化方案,为人工膝关节假体的设计及置换提供良好的生物力学基础。 方法：电子检索CNKI数据库、万方数据库中收录的膝关节假体设计,人工膝关节置换及数字化成型技术在人工膝关节设计中应用的相关综述、实验研究及临床论著,排除陈旧文献及置换方式保守治疗患者资料。 结果与结论：共纳入相关文献27篇。随着人们对膝关节生物力学和解剖的进一步理解,患者对人工膝关节的功能有进一步的要求,数字化重建技术为膝关节几何测量及置换的精准度提供新的思路和技术方法,为胫骨假体形态设计提供解剖数据,提高假体和截面适配度及关节稳定性,减少假体松动等并发症的发生,延长假体使用寿命。基于影像数据进行膝关节三维重建方案可行,效果肯定,可清晰、直观、多角度的观察膝关节的形态特点,既可作为骨关节局部解剖的教学方法又为临床应用提供可靠数据。     

一种组合式个性化人工膝关节假体数字化设计方法

目的 提出一种组合式个性化人工膝关节假体结构,解决膝关节股骨肿瘤保肢手术由于截骨位置差异性较大,很难采用标准型人工膝关节假体满足个性化需求的问题。方法 首先将患部关节区域CT数据进行三维重建,并利用MRI增强扫描技术建立肿瘤的三维模型,再通过肿瘤模型与患部关节模型进行位置匹配,在三维模型上确定手术截骨位置,根据截骨尺寸设计个性化的股骨柄与标准股骨髁假体进行有效组合,形成一种组合式个性化人工膝关节假体。结果 根据本文设计方法的结果加工成型,骨科临床医生分析膝关节假体结构与人体膝关节生理结构相符,达到个性化假体设计要求,能够重建患者膝关节功能。结论 这种膝关节假体结构有利于降低个性化膝关节假体设计加工成本,缩短设计加工周期,有望提高患者生命质量。     

基于逆向工程的三维仿生膝关节建模(英文)

背景:膝关节置换后,要求患肢达到负重,伸屈及旋转活动,稳定性好。这就要求假体的几何形状要与人体相匹配并使其植入后与人体运动规律相一致,才能使假体与周围保留的软组织协调运动,这一切都得依赖于精确的膝关节假体设计与制造。目的:利用计算机辅助技术设计个性化人工膝关节。方法:利用三维镭射扫描和计算机辅助设计技术对人体膝关节进行扫描并对所输出的点云数据进行处理,利用工程软件Geomagic和UG进行膝关节三维实体模型重建。结果与结论:得到了非常精确的膝关节三维模型。为中国人工仿生膝关节的数字化制造,虚拟装配,应力分析,运动分析及模拟手术提供了精确的模型基础。     

个体化组织工程支架CAD设计与RP制作的方法的研究

目的 开发一种内部孔隙有规律地相互连通的组织工程支架的制作方法，避免以往通常采用的组织工程支架制作方法的缺陷。方法 采用CT／MRI扫描三维重建建立待修复组织的解剖模型，采用CAD软件设计支架内部结构建立解剖外形支架的实体模型，选择合适的快速成型方法精确制作组织工程支架原型。结果 经CT／MRI图像三维重建、CAD设计建立模型指导立体光固化工艺成功制作了三维外形的支架。结论 采用以上方法设计、制作个体化的组织工程支架是可行的。     

个体化股骨假体的CAD实践及模拟力学实验

主要围绕个体化人工股骨假体的CAD实践及通过计算机模拟力学实验对个体化人工股骨假体在生物力学性能上是否优于普通生物型和普通骨水泥型人工股骨假体进行了探讨。对最初设计的CAD软件进行了修改,采用了新的边缘提取算法,并验证了程序运行的可行性和可靠性,设计出了个体化人工股骨假体模型,为个体化人工股骨假体的CAM奠定了基础。通过计算机模拟力学实验证实了个体化人工股骨假体在生物力学性能上优于普通生物型和普通骨水泥型人工股骨假体,为个体化人工股骨假体的CAM提供了理论依据。     

基于健侧三维数字解剖的桡骨头假体逆向工程研究

目的 探讨基于健侧三维数字解剖结构逆向工程个体化计算机辅助设计桡骨头假体的方法以提供临床精确置换。 方法 采用GE Speed Light 16排螺旋CT薄层扫描健康成人1例双侧肘关节,排除桡骨头疾患,获取CT扫描dicom数据导入Mimics10.0软件三维重建肘关节。提取左健侧桡骨近端三维模型经镜像模拟右患侧桡骨近端,再经编辑处理分割为头颈两部分。利用Mimics10.0软件测量颈段髓内径、长度参数构建假体柄。桡骨头模型导入Geomagic studio 12软件模拟软骨加厚处理,导入假体柄模型生成头柄部实体。按解剖特点虚拟组装头柄部件,实现患侧桡骨头假体的逆向工程。 结果 依据健侧肘关节CT影像数据,利用Mimics和Geomagic studio软件,进行三维重建,编辑,测量和反求,可实现个体化桡骨头假体设计和头柄部件的虚拟组装成型。 结论 基于健侧桡骨数字解剖的逆向工程为个体化桡骨头假体的研制提供了一个有效的方法。     

CT三维重建在全膝关节置换中的应用

背景：下肢X射线测量及CT三维重建的应用,以及计算机辅助技术都有助于人工全膝关节置换术者更精确地安放假体。 目的：探讨全膝关节置换前CT三维重建确定股骨髓内定位杆置入点对置换后关节功能的影响。 方法：32例全膝关节置换患者,其中置换前进行CT三维重建确定股骨髓内定位杆置入点的18个病例(CT三维重建组),其余病例术前未进行CT三维重建(对照组),在置换后3个月、1年、2年定期随访。 结果与结论：置换后3个月、1年、2年随访与对照组比较,CT三维重建组膝关节功能评分总体功能和单纯膝关节功能评分显著增高(P均 < 0.05)。提示全膝关节置换前行膝关节CT三维重建确定股骨髓内定位杆进入点有助于在置换中正确插入股骨髓内定位杆,更准确地进行股骨端的截骨以及膝关节假体的安放,能够更好地恢复下肢力线和膝关节的功能。     

髋关节置换的三维有限元分析

目的本文建立股骨髋关节置换有限元模型，并进行了静力学模拟计算，寻求假体的材料属性对髋关节置换后产生的的影响。方法运用逆向工程与有限元的基本概念和理论，采用医学专用的建模软件mimics读取原始的股骨CT图片的dicom格式，完成股骨二维重建，然后根据股骨髓腔几何解剖状态应用CAD软件设计个性股骨假体。在ansys中对两个模型进行有限元装配，进行接触耦合分析!结果建立了精确的股骨模型和设计了个性假体。利用MIMICS基于灰度值进行赋材质，实现股骨有限元模型材料正确的非均匀及各向异性描述。成功模拟了三种假体材料置换后股骨的应力。结论三种材料中复合材料假体更接近人体生理环境，减弱了假体的应力遮挡，有利于力由假体传到到股骨上。为改进人工髋关节的设计、置换和提高人工髋关节寿命提供了一些有益的依据。研究结果表明这种假体设计和分析方法更为合理、可靠。     

基于CT三维重建个体化股骨假体的计算机辅助设计(英文)

背景:由于人体的绝对个性化特点,标准人工假体与患者骨骼之间的误差使二者难以很好匹配。计算机辅助设计和制造个体化假体克服了其他假体的缺点,可有效地延长人工关节的使用寿命和使用质量,并可能解决人工关节的翻修问题。国内的研究尚处于起步阶段。目的:基于CT图像的三维重建,探求个体化股骨假体计算机辅助设计在提高假体与病变骨骼匹配度中的作用。方法:CT扫描对象为1例健康男性志愿者,排除髋关节疾患。采用GESpeedLight16排螺旋CT对股骨中上段进行层厚3mm扫描,得到CT数据的二维图像,利用自主开发的数据格式转换软件将CT图像转换为bmp格式。对位图编辑预处理,用Mimics8.1软件进行矢量化处理,提取股骨内外轮廓。然后输入Mimics8.1和Rapidform2004三维反求工程软件中,生成股骨内外轮廓的特征曲线,重建股骨三维模型。将股骨髓腔的特征轮廓曲线dxf文件输入计算机辅助设计建模软件Solidworks2004中,以此股骨髓腔轮廓为基础,完成个体化股骨假体的设计。结果与结论:利用自主开发的数据格式转换软件,实现了CT图像信息的矢量转换。以CT二维图像为依据,进行三维反求,可获得精确的股骨内外轮廓三维实体模型。采用反求工程与正向计算机辅助设计相结合,可设计出匹配良好的个体化股骨假体。提示反求工程和计算机辅助设计技术为个体化假体的研制提供了一个有效可行的途径,解决假体与病变骨骼的良好匹配,可防止假体松动,提高其长期稳定性。     

一种新型膝关节假体在步态过程中接触应力的有限元仿真

目的对一种使用新方法设计的新型人工膝关节假体进行有限元模拟分析,研究改变关节假体外髁关节面的扭转角度对改善人工膝关节假体力学环境的影响。方法依据志愿者提供的膝关节CT测量数据,建立3个膝关节假体模型,内侧股骨髁在冠状面保持圆曲线,外侧股骨髁根据冠状面轮廓曲线的扭转角度不同,分为0°、10°、20°(分别命名为模型1、2、3)。将假体模型导入有限元软件,输入自然人体膝关节的运动步态信息为加载工况,模拟步态过程中膝关节假体的运动状态,并将通过模拟得到的髁间应力同使用接触力学理论公式得到的应力计算结果进行对比。结果 3组模型的最大应力出现在步态13%处,此时关节轴向力最大(2.6 kN)。模型1内、外髁最大应力分别为35.5、30.6 MPa,模型2内、外髁最大应力分别为38.4、32.6 MPa,模型3内、外髁最大应力分别为38.3、43.1 MPa。模型2、3的应力曲线相比模型1变化较为平缓。模拟得到的应力曲线与理论计算曲线的趋势相同,但个别步态时刻处有差异。结论通过增大人工膝关节假体外髁曲面的扭转角度可以改善膝关节力学环境,经过改进的膝关节假体在步态过程中对胫骨衬垫的应力突变减少,可以延长假体的使用寿命。     

计算机辅助技术在骨关节疾病中的应用

背景：以往采用二维图像资料如X射线片、CT、MRI扫描等进行骨关节病手术设计,在反映骨关节病变严重程度、病变位置和畸形情况等方面不全面、欠准确,而且缺少直观性。 目的：研究计算机辅助设计和快速成型技术辅助骨关节伤病手术治疗的新方法。 方法：按反求工程的基本原理,采用医学CT/MRI扫描获取106例骨伤病患者骨骼二维图像资料,采用计算机辅助三维重建建立骨、关节解剖模型,将骨、关节解剖模型输入CAD软件进行精确分析,进一步采用快速成型技术制作骨关节原型进行实物原型分析,然后将骨关节解剖模型输入计算机进行外科手术过程设计、预演,选择合适的内固定材料,计算机辅助设计、快速成型技术制作外科手术辅助模板、个性化植入物等,最后精确实施骨关节外科手术。 结果与结论：31例骨关节畸形患者术后恢复良好的解剖外形和功能;17例前后交叉韧带损伤患者术后膝关节功能良好;31例骨折患者术后3~6个月获得骨折愈合;7例个性化假体和8例内固定重建肿瘤切除后骨缺损患者,随访期间未发现内固定器械断裂、假体松动和肿瘤复发;12例髋臼发育不良患者术后恢复正常髋臼包容和良好髋关节功能。提示计算机辅助技术可应用于骨关节畸形精确数字化矫形,设计个性化假体,辅助前后交叉韧带重建,疑难假体置换,辅助特殊疑难骨折、关节内骨折、陈旧性骨折复位、固定,骨肿瘤的个性化切除设计、结构与功能重建。     

基于3D打印个性化手术导航模板辅助下的人工全膝关节置换

背景：膝关节的解剖形态个体差异显著,而传统膝关节置换手术定位力线方法复杂,不能准确预测术中患者的力线位置、假体大小及截骨量。 目的：探讨基于医学图像三维重建、计算机辅助设计技术以及3D打印制造的个性化手术导航模板辅助下全膝关节置换的临床效果。 方法：采用CT或者磁共振扫描设备对患者进行扫描,获取患者医学图像数据;采用二维医学图像处理技术进行骨骼的三维重构;利用计算机辅助设计技术进行导航模板的设计;采用3D打印技术制造个性化手术导航模板,并进行临床全膝关节置换;置换后采用影像学评估术后效果。 结果与结论：Arigin 3D Pro(昕健医疗技术有限公司)能够准确重构出患者下肢骨骼三维模型,自主研发的三维设计软件Arigin Surgical Templating(昕健医疗)能够精确定位包括下肢力线、股骨旋转轴等在内的下肢相关轴线及截骨参考点。该组研究设计和制作的个性化膝关节手术导航模板,术中和股骨髁与胫骨平台骨性解剖结构贴合紧密,无明显移动;全膝关节置换后患者下肢力线偏差小于3°。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

Reverse engineering in CAD model reconstruction of customized artificial joint

In order to meet the requirements of customized artificial joint design, and to reduce the production cycle and cost, we present a method to generate the complex surface of an artificial knee joint by co-ordinate measuring machine (CMM) from the normative prosthesis, and form the model data base. First, this paper describes how to plan the measure method to get the better data points and how to deal with the point cloud data. Then, the free-form surfaces are constructed from the point cloud data using the reverse engineering software-Surfacer. Lastly, the solid CAD model of the artificial knee joint is created from the surfaces by extension, intersection and so on. These models formed the data base of the prosthesis, in which we can select a suitable kind of artificial knee joint model to customize for the patient. That is, we only need to change the local data of the corresponding CAD model to meet the different requirements of the patient.     

膝关节形态学测量在人工膝关节置换领域的价值及意义

背景：对人工膝关节假体形态尺寸进行观察及测量,并对相关测量统计数据进行人工膝关节形态设计,有利于促进膝关节假体植入后的稳定性和组织相容性。 目的：结合文献探讨形态学测量在临床上膝关节置换中的重要性。 方法：以 “膝关节;假体;测量;设计;置换”为中文关键词,以“artificial knee joint; prosthesis;measure;design;replacement” 为英文关键词。采用计算机检索1998-01/2011-12有关人工膝关节假体设计、测量及膝关节假体植入后相容性的文章。 结果与结论：膝关节的形态学测量即膝关节的三维有限元模型、相关参数及角度、生物力学研究与膝关节假体选择及设计有着重要相关性。膝关节的形态测量有二维和三维测量,以三维测量法精确。膝关节线性尺寸之间、身高与线性尺寸之间均有很好的相关性,所测量的数据在临床上均有应用意义。典型的膝关节三维解剖模型,能为膝关节参数的测量提供一种可靠的方法,提高手术的成功。     

数字技术在全膝关节置换术股骨旋转控制中的应用

目的 探讨在人工全膝关节置换术（TKA）中采用数字技术进行个体化股骨旋转定位的准确性及可行性。方法 选择上海市东方医院关节外科2012年5月—2013年11月68例膝关节严重退变病例纳入观察组进行回顾性分析,全部病例x线检查均符合Kellgren＆Lawrence分级法Ⅲ级以上,且合并严重的膝关节疼痛及活动受限。术前CT扫描下肢采集数据后利用数字化软件Mimicsl4．01在建立的3D立体模型中测量股骨后髁角,在TKA中参照该角度进行个体化截骨,术后再次测量股骨后髁角。选择2010年9月—2012年10月统一采用外旋3°截骨的62例患者作为对照组。比较两组手术前后股骨后髁角以及股骨假体旋转不良率。结果 观察组68例采用数字技术的患者术前测得股骨后髁角5．14°±1．59°（1．05°-8．26°）,术后0．83°±0．44°（0．03°～2．28°）;对照组中62例采用传统技术的患者术前测得股骨后髁角5．47°±1．23°（1．97°-8．41°）,术后3．82°±0．41°（0．08°-6．93°）。两组患者术前的股骨后髁角差异无统计学意义（t=1．349,P〉0．05）,观察组术后股骨后髁角明显小于对照组,差异有统计学意义（t=39．973,P〈0．01）。观察组股骨假体旋转不良率为10．3％（7／63）,对照组为38．7％（24／62）,两组比较差异有统计学意义（χ^2=14．420,P〈0．01）。结论 TKA术前应用数字化技术测量股骨后髁角,并根据测量结果进行个体化股骨外旋截骨,可以获得良好的股骨旋转力线。     

全膝关节假体三维有限元模型的建立

背景：由于全膝关节的结构形态具有运动复杂、受力复杂等特性,造成了数据采集,模型建立困难,影响了三维实体模型的准确性。 目的：建立全膝关节假体三维有限元模型。 方法：通过Microscribe G2三维定位扫描仪取得假体数据、Geomagic软件进行曲面拟合、导入大型有限元分析软件Abaqus6.7.2建立全膝关节假体三维有限元模型,对如何提高三维有限元模型的精确性,扩大模型的开放性以及提高建模效率,增加关节外科医师在建模过程中的参与性进行探讨。 结果与结论：通过Microscribe G2三维定位扫描仪取得假体数据、Geomagic软件进行曲面拟合、导入大型有限元分析软件Abaqus6.7.2建立了全膝关节假体三维有限元模型。与以往建模方法比较,该模块设计使模型更加精准,使用更灵活,简化了有限元前期处理过程,明显降低了建模难度,提高了建模效率,增加了模型的扩展形,并获得了更高的精度。     

胫骨假体放置位置与人工膝关节置换后的稳定性

背景：目前关于在全膝置换中针对选择何种参照方法和技术来确定胫骨假体放置位置或参数尚报道较少。 目的：分析人工膝关节置换过程中胫骨假体放置的位置对其置换后稳定性及相容性的的影响。 方法：通过检索选择文章内容与人工膝关节置换过程中胫骨假体或角度相关的文章,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。 结果和结论：初检得到132篇文献,根据纳入标准选择关于胫骨假体放置的27篇文章进行综合分析。由于胫骨上端几何结构的个体差异以及手术操作等原因,假体与胫骨上端切面有时不能良好匹配。全膝关节置换中,胫骨假体各面的角度、对线、对位对置换后膝关节的稳定性、屈伸功能和假体使用寿命均有重要影响;胫骨假体的放置直接关系到人工膝关节置换后假体的松动、下沉及术后关节感等。因此选用适合患者型号的假体,使假体与胫骨上端切面能良好匹配的同时,还要提高假体植入技巧,以增强假体的稳定性。     

定制化单侧膝关节假体设计与快速制造方法研究

目前人工假体的制造还难以达到个体适配化，尤其是带有关节面的半关节，能否与对侧正常关节软骨完全匹配是决定手术治疗成败的关键。本文以临床影像学资料为数据源，应用逆向工程和快速原型技术相结合制作出与人体膝关节面形状完全相匹配的人工假体原型，而后利用传统的制作工艺完成假体关节面及其连接结构的最终成型。结合异体骨移植术，将该项研究结果成功地用于股骨下段肿瘤患者，临床资料显示该假体能够与患者对侧关节面良好匹配，患者关节功能恢复较理想。该方法可实现替换关节面和对侧面的匹配，而且假体制造的周期短、成本低，可实现个体定制化，为探索半关节置换及临床提供了制造方面的技术保障。