快速成型技术在仿生医学训练模型研发及临床中的应用

背景:快速成型术是一项新兴技术,它在医学教育及临床治疗中承担重要作用,研究运用快速成型术来研制医学训练模型,改变模型材料结构,探求制造新技术是一顶重要的任务。目的:探讨快速成型制造形术的原理及方法,研究快速成型术在临床诊断、治疗及医学模拟教学中的运用前景。方法:应用计算机检索PubMed数据库、美国科技信息所的科学引文索引数据库及中国期刊全文数据库、中国科技期刊全文数据库,检索包括快速成形制造术、医学模拟教学、人体仿生材料、临床治疗方面最有代表性文献报道。结果与结论:快速成型制造技术的出现和发展,为不能制作或难以用传统方法制作的人体器官模型提供了一种新的制造手段。采用PRM技术制作三维医学模型,不但可以使解剖特征具体化、医生之间以及医生与患者之间易于交流,使患者易于理解医生策划的手术,而且可用于模拟教学中,指导操作,进行手术过程操练。在临床诊断和外科手术策划中,可有效提高诊断和手术水平,缩短时间,节省费用。随着生物材料知识的发展,快速成型产品在医学领域的临床应用将不断增长,从仿生性医学训练模型研制到人体骨骼再生植入,再到器官置换,应用范围将会越来越广泛。     

3D打印技术在医学领域中的应用

3D打印技术是新型的快速打印技术,它结合了三维扫描、计算机辅助数字化成型等技术,实现高精度、高效率、低费用地打印立体结构。在医学领域,3D打印通过对骨骼、肌肉、血管、神经等解剖结构进行高仿真地精确打印,用于辅助解剖学、病理学教学、临床实习生的手术模拟、医生术前讨论与手术方案制定,也被作为植入体用于患者缺损组织的修补。通过将活细胞与仿生材料相结合进行的3D生物打印,可用于药物筛选、药效评价,还可实现组织器官再造、器官移植等。     

增材制造脊柱侧弯矫形器治疗效果的有限元分析

目的 利用有限元法对骨骼、躯干和矫形器之间的交互作用进行仿真模拟,评估增材制造脊柱侧弯矫形器的治疗效果。方法 结合患者CT数据、躯干三维扫描模型和脊柱全长X线片,建立骨骼-躯干-矫形器有限元模型,并证明其有效性。计算在不同边界和载荷条件下主胸弯脊柱侧弯Cobb角的变化及发展趋势。结果 增材制造矫形器治疗效果良好。随着矫形器预紧力增加,Cobb角和骨盆倾斜的改善情况更加明显。预估70 N预紧力作用于矫形器的6个月后,Cobb角将减少6.18°。在增加骨骼系统刚度的情况下,Cobb角改善不明显,甚至出现恶化。结论 脊柱侧弯矫形器能够有效地治疗骨骼尚在发育的青少年,对于骨骼发育成熟或产生退变的患者,矫形器治疗效果欠佳。     

颅颌面部畸形个体数字化修复技术的临床应用

背景:由于颅颌面部骨骼解剖关系的复杂性,传统诊疗方法不能准确再现颅颌面部畸形的特点,更无法进行术前手术模拟。数字化模型外科技术可以提供给医生一个真实头颅的仿体,反应头颅结构的细节,能够更准确地解决颅颌面部修复对称性等难题。目的:观察数字化外科技术在颅颌面复杂畸形修复重建中的临床应用效果。方法:针对四川大学华西口腔医院2008/2009收治的7例复杂颅颌面畸形患者利用CT断层扫描得到颅颌面骨三维数据,通过计算机辅助设计并结合三维重建技术,对畸形进行修复前精确诊断、手术模拟设计,并通过快速成型技术和反求工程技术制作出三维头颅模型及个性化修复体,实现畸形的精确化修复。结果与结论:基于计算机辅助设计-计算机辅助制造技术的个体数字化修复技术能够完成颅颌面部畸形修复体的设计和制造,可以提高手术精度,缩短手术时间,降低手术风险,改善治疗效果,明显提高了复杂颅颌面外科手术的精确性。提示数字化外科技术针对复杂颅颌面畸形修复重建病例有重要的临床实用价值。     

数字化外科:数字化成型技术与颅骨植入物

由于颅骨的不规则性,常遇到植入物与患区骨骼不匹配,需临时对植入物进行塑形、拼接,这不仅造成了植入物磨损,也延长了手术时间。计算机辅助工程学的发展,植入物的加工工艺越来越精细,并使获得个性化的设计、制造成为临床应用的可能。用激光快速成型复制出患者骨骼解剖模型,将虚拟图像转化为现实,可使医生对将要进行手术的患者骨骼解剖结构有正确而直观地了解,较CT图像的可视化更为直观、方便、准确,显著提高了诊断的准确率,同时这种精确的三维可视化模型为临床诊疗和教学提供了可操作工具。制作个体化修复体是数字化成型技术最独特的优势,已成为在颅面外科应用最为广泛的领域。根据患者CT扫描数据结合CAD设计,CAM制造出符合每个患者解剖结构、与缺损完全适配的修复材料或种植体,不但功能恢复效果良好,而且外观形态十分协调,几乎可以达到解剖意义的完美修复,大大简化了手术操作、降低了手术风险、缩短了手术时间。     

3D打印技术在创伤骨科中的应用进展

随着3D打印技术的不断发展,其在创伤骨科领域中的应用越来越广泛,几乎涵盖了人体所有的解剖区域。3D打印技术也被称为"增材制造技术"和"快速成形技术",被认为是"第二次工业革命"。3D打印技术不仅可以打印出患者特异性的解剖实体模型,便于医师对患者复杂的解剖结构及疾病有更好的理解,同时有助于医学教育和手术培训,而且对于一些特殊患者可以制造定制的植入导板及假体,匹配患者的解剖结构,有效解决临床治疗难题。本文就3D打印技术在创伤骨科中的应用进展进行综述。     

基于逆向工程和快速成型技术的髋骨三维实体模型个性化重建

背景：髋骨解剖结构复杂,传统的X射线片及CT扫描等二维影像检查易受到影像重叠、软组织等的干扰,在髋骨的诊断中具有一定的局限性。通过基于逆向工程技术的数字化建模能全面、直观、精确地显示髋骨立体形态和各部位解剖结构的空间关系,在骨骼研究中有着广阔的应用前景。 目的：利用计算机辅助技术重建个性化的髋骨三维实体模型。 方法：使用手持式三维激光扫描仪对人体髋骨表面进行扫描,得到大量点云数据,综合使用工程软件Geomagic和计算机辅助软件CimatronE对点云进行处理并实现三维模型重建,使用快速成型机完成髋骨的3D打印,得到几何形状一致的髋骨实体模型。 结果与结论：通过基于逆向工程和快速成型技术的数字化建模方法,可得到具有良好几何相似性及生物力学特性的髋骨三维实体模型,可为人工仿生髋骨的数字化制造、虚拟装配、应力分析及模拟手术等提供精确的模型基础。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     

有限元模型在数字化骨科生物力学分析中的应用

<正>近年来,数字医学技术与骨科临床医学紧密结合,极大地促进了骨科临床诊疗技术的发展。今天的数字化骨科,在计算机的帮助下,充分利用了医学领域多模图像数据,对医学图像信息进行处理后结合立体定位系统,显示和定位人体骨骼的解剖结构,再由计算机规划手术路径,制定合理定量的手术方案,包括在适当的图像监视和立体定位系统下,利用一定的导引系统,使用计算机和医用机器人进行术前模拟手术以及辅助医生完成手术干预。针对不同的骨科疾病,通过数字化手段不仅可以选择手术方式,也极大程度的提高了手术治疗的准确性和安全性。     

漏斗胸微创矫形手术的生物力学研究进展

开展漏斗胸微创矫形手术的生物力学研究以及阐述矫形机制对于提高矫形手术水平、开展个性化手术治疗、发展新的矫形手术方法和扩展微创矫形手术的应用范围具有重要意义。漏斗胸微创矫形手术已经成功用于儿童的漏斗胸矫形,但是成人漏斗胸矫形手术的应用还未普及。面对漏斗胸矫形可能会加重脊柱侧弯的风险,医生被迫放弃手术,致使部分漏斗胸合并脊柱侧弯的患者终生不能得到治疗。总结漏斗胸微创矫形手术的生物力学研究进展,包括胸廓模型的三维重建、矫形模型的应用、矫形过程的数值模拟以及数值模拟结果在临床的应用。结合成人漏斗胸矫形数值模拟的特点提出解决方法,并针对漏斗胸的生物力学研究现状提出需要解决的问题,如计算模型需要考虑主要肌肉、椎间盘、前后纵韧带、椎体横凸棘间韧带和棘上韧带,验证数值计算结果的实验研究方法等。     

数字式一体化口腔临床工程系统的研制

运用数字总线技术实现多模块化控制,对CT或X光片、口腔数字化扫描仪、印模扫描图像等进行三维重建、立体构图,开发系列规划软件,为口腔医生提供优化治疗、修复方案.同时,计算机可联接微型CAD/CAM自动进行义齿、贴面快速加工,以及种植导板等产品的设计、加工；联接手术导航仪进行牙种植手术导航；联接PACS、HIS等系统,实现数字化图像传输以及远程医疗功能.在诊所内一体化完成诊断、治疗、制作、修复、整形、美容等系列复杂、精细工作.     

图像处理技术在脊柱侧弯检查中的应用

脊柱侧弯是指脊柱偏离其中心线的畸形生长,是一种常发生在青少年人群中的特发性疾病。本文通过对现有的脊柱侧弯检查方法的分析,指出了利用图像处理技术对青少年脊柱侧弯检测的优越性。主要介绍了两类脊柱侧弯检测的图像处理方法:一类为提取莫尔图像的非对称特征,将其与Cobb角相联系进行检测;另一类为利用不同的光学成像方法对人体背部进行三维重建,然后根据提取的三维特征对脊柱侧弯进行检测。两类方法的相似点在于都涉及到人体背部的对称性的判别问题。最后,对图像处理技术在脊柱侧弯方面的进一步应用做了展望。     

脊柱侧凸三维有限元模型的建立及其意义

目的建立胸腰段脊柱侧凸的三维有限元模型。方法螺旋CT扫描脊柱侧凸患者T6椎体上缘至L1椎体下缘,所得图片经Photoshop处理后导入Simpleware软件,采用实体建模方法构建出每一椎体及椎间盘的实体模型,经过逆向工程软件Geomagic光滑、组装后导入有限元分析软件ABAQUS,进行网格划分建成脊柱侧凸的有限元模型。结果所建模型共划分了232315个单元,356830个节点,模型结构完整,单元划分精细,外观逼真,几何相似性好,能精确测量一定载荷下的应力和位移分布。结论本研究所建有限元模型有助于脊柱侧凸的生物力学研究,对于脊柱侧凸的治疗及个性化矫形支具的设计具有指导意义。     

Numerical Simulation of Asymmetrically Altered Growth as Initiation Mechanism of Scoliosis

The causes of idiopathic scoliosis are still uncertain; buckling is mentioned often, but never proven. The authors hypothesize another option: unilateral postponement of growth of MM Rotatores or of ligamentum flavum and intertransverse ligament. In this paper, both buckling and the two new theories of scoliotic initiation are studied using a new finite element model that simulates the mechanical behavior of the human spine. This model was validated by the stiffness data of Panjabi et al. (J. Biomech. 9:185–192, 1976). After a small correction of the prestrain of some ligaments and the MM Rotatores the model appeared to be valid. The postponement in growth was translated in the numerical model in an asymmetrical stiffness. The spine was loaded axially and the resulting deformation was analyzed for the presence of the coupling of lateral deviation and axial rotation that is characteristic for scoliosis. Only unilateral postponement of growth of ligamentum flavum and intertransverse ligament appeared to initiate scoliosis. Buckling did not initiate scoliosis.     

青少年特发性脊柱侧凸腰主弯患者腰椎-骨盆的生物力学分析

文题释义： 青少年特发性脊柱侧凸：为脊柱三维平面上的畸形,会导致青少年脊柱结构发生明显的改变,结构的改变会导致椎骨及椎间盘应力发生相应的改变,且腰椎、骨盆在人体中的力学作用极为重要,青少年时期为人体脊柱生长发育的高峰期,脊柱结构及应力的改变在该时期的进展尤为明显。 背景：青少年特发性脊柱侧凸导致脊柱结构和应力发生改变,腰椎在脊柱中承受的载荷最大,骨盆也起着传导重力的作用,故青少年特发性脊柱侧凸腰主弯患者腰椎骨盆的生物力学分析尤为重要。 目的：建立青少年特发性脊柱侧凸腰主弯腰椎-骨盆三维数字化模型并进行有限元分析。 方法：根据1例13岁女性特发性脊柱侧凸腰主弯患者的腰椎-骨盆CT薄层数据,应用Mimics 15.0软件重建三维数字化模型,以Pro/E 5.0软件建立初步几何模型并导入Hypermesh 13.0进行网格划分,最终通过Abaqus 6.14软件对该模型进行有限元分析。分析有限元模型在6种载荷条件下的位移、应力变化及该模型各椎体及椎间盘的应力变化。患者家属对试验方案知情同意,且得到医院伦理委员会批准。 结果与结论：①建立了青少年特发性脊柱侧凸腰主弯患者的腰椎-骨盆的三维有限元模型;②模型在6种载荷条件下,L₁椎体上部在左、右侧屈时位移变化最大,骶骨下端在前屈时位移最大;③椎间盘右缘在右侧屈运动条件下所受应力最大;前屈位时,腰椎间盘所受应力为前缘最大,左缘所受应力最小;后伸位时后缘所受应力最大,而右缘所受应力最小;侧屈位及旋转位时,右缘所受应力最大,前缘所受应力最小;④L₅在6种运动中应力均最大,其中应力集中于上下关节突及椎弓根,尤其以右侧最为集中;⑤提示青少年特发性脊柱侧凸不同载荷会引起椎体或椎间盘不同位置受力及位移有相应变化,研究结果对脊柱侧凸的治疗和预防具有重要意义。 ORCID: 0000-0001-5810-6674(张聪) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

基于有限元仿真的数字化脊柱侧弯矫形研究

目的:对脊柱侧弯患者全脊柱进行数字化信息提取,研究矫形角度与矫形力的关系,并基于CT断层扫描数据信息对患者侧弯脊柱进行三维重建,验证矫形方案的可靠性,从而为患者提供最优的个体化脊柱侧弯矫形方案。方法:根据患者CT断层扫描数据,在Matlab软件中对患者侧弯脊柱进行数字化建模,以力学原理推导矫形力与矫形角度的关系式,从而确定脊柱侧弯矫形方案。利用Mimics19.0、3-Matic等医学三维软件,对患者脊柱侧弯部分进行完整三维重建并在AnsysWorkbench中进行有限元仿真,验证矫形方案效果。结果:重建出的脊柱三维模型能够准确反映患者实际脊柱侧弯情况,Matlab软件计算得到的最优化矫形方案能够在有限元仿真中得到验证。结论:基于数字化三维重建的脊柱侧弯矫形能够针对患者个体情况提供最优化的矫形方案,辅助临床医生选择满足患者实际需求的治疗方案。     

Lenke 1型青少年特发性脊柱侧凸与正常脊柱有限元模型建立与分析

目的：建立青少年正常与Lenke 1 型侧凸脊柱三维模型,利用有限元方法分析脊柱受力情况,观察并分析 侧凸脊柱生物力学分布规律,用于评估脊柱侧凸的潜在发生机制。方法：收集内蒙古地区青少年正常胸腰CT资料, 选择13 岁正常青少年和15 岁脊柱侧凸（ 胸主弯,Lenke 1 型）青少年各一例,利用Mimics 及Ansys 软件分别对 脊柱三维模型进行重建并进行有限元分析,测量胸腰段脊柱各部位应力集中部位及比较其差异。结果：正常脊柱 应力、应变主要集中在中柱和后柱,侧凸脊柱应力应变主要集中在凹侧,椎间盘亦是如此。青少年正常脊柱应力 主要集中在中柱和后柱部分,应变主要集中在椎间盘部分。青少年特发性脊柱侧凸（AIS）的应力集中在椎体弯 曲的凹侧。纵观整个脊柱,从上端椎以上至下端椎以下,应力和应变的分布水平面移动,说明AIS 患者在发展过 程中存在椎体旋转,椎体旋转改变了应力与应变分布。 结论：AIS 的应力集中在脊柱弯曲的凹侧,应变主要集中 在椎间盘部分,应力与应变在弯曲的凹侧最明显,且顶椎最明显。椎骨和椎间盘上的不对称载荷可能是导致侧凸 起源和进展的原因之一。     

Stress analysis of a plate-rod system for scoliosis correction

To study the stress–strain relationships of intervertebral discs and vertebrae when using a plate-rod system for scoliosis, a mechanical model of scoliosis was built based on the similarity principle. The stress variation on the spine, which was under the coactions of lengthwise load and correcting load, was measured by photoelastic and strain gauge methods. The model test results indicate that the added value of compressive stress on the concave side of the spine (0–1.5 MPa) is larger than the added values of compressive stresses on the spine's convex side and concave ligament (0–200 N). This demonstrates that the lengthwise load (weight) can increase the seriousness of scoliosis. In addition, it was shown that tensile stress is formed on the concave side of the scoliosis model when the compressive stress decreases (1.5–0 MPa), due to the effect of the correcting load. It can be seen that plate-rod systems can correct scoliosis effectively.     

Computer simulation for the optimization of instrumentation strategies in adolescent idiopathic scoliosis

Recent studies reveal a large variability of instrumentation strategies in adolescent idiopathic scoliosis (AIS). Determination of the optimal configuration remains controversial. This study aims to develop a method to define the optimal surgical instrumentation strategy using a computer model implemented in a spine surgery simulator (S3). A total of 702 different strategies were simulated on a scoliotic patient using S3. Each configuration was assessed using objective functions that represented different correction objectives. Twelve geometric parameters were used in the three anatomic planes and mobility, and their relative weights were defined by a spine surgeon according to his objectives for correction of scoliosis. Six instrumentation parameters were manipulated in a uniform experimental design framework. An interpolation technique was used to build an approximation model from the simulation results and to locate instrumentation parameters minimizing the objective function. Small or no differences in the correction between the simulated optimal strategy and the real postoperative results of the instrumented segments were observed in the three planes. But the same overall correction was obtained by using fewer implants (only screws) and less instrumented levels. This study demonstrates the potential and feasibility of using a spine surgery simulator to optimize the planning of surgical instrumentation in AIS.     

Lenke3型特发性侧凸脊柱的动态特性

目的 探讨Lenke3型脊柱侧凸有限元模型的动力学响应。方法 利用Lenke3型脊柱侧凸患者CT扫描图像建立有限元模型,对模型进行有效性验证。并对模型进行模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析。结果 本模型第1阶固有频率仅为1-2 Hz;在第1阶固有频率时,有限元模型的振幅最大。在同一共振频率时,胸弯曲椎体比腰弯曲椎体振幅大;从T6到L2椎体,各方向的振幅依次减弱。结论 人体脊柱畸形程度可能影响脊柱对振动的感知。脊柱畸形程度越高,对振动的敏感程度就越高。第1固有频率对Lenke3型脊柱侧凸患者危害最大;在循环载荷下,胸弯曲椎体比腰弯曲椎体更易产生较大变形;越靠近T1椎体,振动幅度就越大。     

半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维矫形有限元模拟分析

背景：对于半脊椎切除后长、短节段和前、后路固定矫形的选择,主要根据医生的临床经验。国内外对于半脊椎所致先天性脊柱侧凸的建模和研究尚未见报道。 目的：运用有限元法模拟半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维矫形,分析半脊椎切除后不同固定方式的矫形效果和生物力学特点。 方法：通过有限元软件,利用基于CT图像建立的个体化半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维有限元模型,仿真模拟半脊椎切除、前路或后路螺钉固定三维矫形技术,输出选择前路或后路固定矫形,以及不同节段固定的矫形结果。 结果与结论：顺利完成了模拟操作,半脊椎切除后,后路固定矫形效果好于前路固定矫形,特别是对后凸角的矫正,矫正率均大于50%;后路短节段固定矫形与长节段固定矫形在对脊柱侧后凸矫形效果上相差不大,差异值小于5°。针对该患者的个体化有限元模拟试验表明,在半脊椎切除后,后路短节段固定矫形为较好的治疗方案,能减少固定节段,并可获得满意的矫正率。