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。     

人体膝关节股胫关节运动特性分析

目的　分析人体正常膝关节和人工膝关节高屈曲活动下股胫关节的运动,为膝关节运动特性研究、假体设计提供参考。 方法　选取健康志愿者,利用CT和MRI扫描数据建立正常全膝关节三维有限元模型以及TKA术后有限元模型,采取三束股四头肌肌力非同步变力加载,模拟人体下蹲运动,以分析股胫关节的相对运动特性,并检索相关研究结果以便对比分析。 结果　获得正常膝关节以及TKA术后人体下蹲过程中股骨相对胫骨的三维相对运动数据,结果表明,TKA术前、后股胫关节相对运动的总体趋势相近,同时在前后位移、远近位移、内外位移、内收外展和内外旋等最大值方面存在差异;同时通过对比分析TKA前后股胫关节相对运动以及相关文献数据,发现结果存在不同程度差异。 结论　究其原因,正常膝关节相对运动差异主要在于股胫关节各个运动方向上和不同屈曲度时约束程度的改变;人工膝关节相对运动差异主要来源于膝关节型面和结构的改变;同时与坐标系的定义、在体和离体的差异、负荷加载的差异相关。本研究针对人体正常膝关节和TKA术后膝关节股胫关节运动进行有限元仿真分析,对膝关节运动特性研究具有一定的参考价值。     

定制化胫骨平台系统的构建及应用

为解决传统人工胫骨平台假体个体匹配性差，结构强度与生物活性难统一等问题，提出了定制化复合增强型人工胫骨平台系统的设计制造方法。采用解剖学建模技术设计出外形匹配，内含三维网状构架的复合假体模型，利用快速成型技术制造出假体的树脂原型，并分别通过精密铸造和粉末烧结技术制造出钛合金胫骨平台和大段多孔陶瓷人工骨。结果显示，该方法能快速而精确地制造出形状复杂的人工胫骨平台系统，是实现假体定制化制造的有利保证；通过将金属假体和多孔陶瓷人工骨复合，解决了载重部位大段骨缺损的修复问题。临床应用表明，该假体能与对侧关节匹配运动，通过将机械重建与生物重建相结合可实现受损关节的功能重建。     

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。     

活动平台单髁假体的三维有限元模型建立及受力分析

目的为活动平台膝关节单髁置换有限元分析提供一种参数化联合建模方法并分析其受力变化。方法获取1例成年男性正常膝关节的膝部CT扫描,利用Mimics 13.1软件重建膝关节三维模型,通过参数化软件Rhinoceros5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,导入Mimics 13.1建立膝关节单髁置换三维模型,然后通过Abaqus6.10建立活动平台膝关节单髁置换三维有限元模型,并进行有限元分析皮质骨、松质骨的应力。结果参数化联合建模法效率高,所建模型形态逼真,精确度高,假体置换前后胫骨侧皮质骨应力变化基本一致,置换后胫骨侧松质骨受力主要在假体槽部。结论参数化联合建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了有效模型和新的研究思路,在单髁置换治疗膝关节病的临床和科研中将有广泛的应用前景。     

膝关节计算机三维模型的建立

目的：通过三维激光扫描仪对膝关节几何形态进行三维重建，建立膝关节计算机三维模型，探讨此方法对膝关节相关研究的指导意义。方法：将膝关节两端进行包埋并打好标记物，利用三维扫描系统对膝关节屈曲不同角度扫描后进行三维重建，建立膝关节的动态运动仿真模型。结果：建立了膝关节三维计算机模型，并利用三维模型进行了膝关节运动及生物力学的初步实验。结论：该模型为膝关节相关研究提供一种良好的手段。     

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。     

利用2D-3D自动注册技术研究TKA术后胫股关节运动

目的重建全膝置换(total knee arthroplasty,TKA)膝关节三维运动,研究后稳定型假体之间的运动和接触。方法以16例TKA膝关节为研究对象,获取动态X线透视图像和假体三维模型,建立2D-3D自动注册算法,重建膝关节的三维运动,计算运动学参数并测量假体之间的接触位置。结果单幅X线图像注册时间小于30 s,图像平面内重复性注册精度为0.4 mm和0.5°。高屈曲垫片对膝关节屈曲度和胫骨内外旋无明显改进。股骨假体在胫骨垫片的外侧接触点后移范围大于内侧。稳定柱后方的接触发生在屈膝约30°以后,平均接触范围小于9 mm。结论 2D-3D自动注册技术在精度和效率上达到TKA膝关节在体三维运动测量要求,测量结果对TKA膝关节生物力学研究和改进假体设计具有参考意义。     

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。     

人工髋关节活体有限元建模及力学分析

背景：有限元分析最为广泛地应用于人工髋关节置换的研究,能够反映人工髋关节置换前后的应力分布情况。 目的：通过CT扫描图像建立人工髋关节置换后的三维有限元模型,分析假体和股骨的力学分布,提供研究活体内假体的评估方法。 方法：选非水泥型人工髋关节假体置换后患者1例,64排CT扫描髋关节,通过三维建模软件建立三维有限元模型,加载载荷1 500 N,分析假体和股骨的应力分布,并与体外建模和正常股骨有限元模型比较。 结果与结论：应用患者人工髋关节置换后CT扫描图像建立的三维有限元模型,加载后应力主要分布在股骨干上端1/3处,在股骨假体柄颈结合处,假体外侧,假体的远端与股骨接触处,是假体置换后应力在体内传递的真实反映。结果说明活体髋关节建模优于体外建模,不改变假体在体内的位置,人工髋关节活体建模是假体评估新方法。     

基于计算机CAD/CAE的个体化人工膝关节假体的设计

目的探索一条利用CAD／CAE技术进行个体化人工膝关节假体设计的可行途径，内容涉及从患膝CT数据读取、三维重建，到假体设计，直至虚拟于术和假体应力状态评价整个流程，从而为个体化膝关节的设计以及手术策划提供一定的指导意义。方法①识别并读取患者病变膝关节CT数据；②运用逆向技术进行膝关节三维重建；③借助计算机辅助设计（CAD）技术进行个体化膝关节假体的设计；④利用计算机虚拟装配技术进行膝关节假体虚拟手术安装、系统运动功能评价；⑤对假体应力状态进行CAE分析。结果基于患者膝关节解剖形态的研究，运用CAD／CAE技术，立足于膝关节假体生物力学性、功能性、稳定性、可靠性及耐用性的设计原则，完成了个体化膝关节假体的设计输出；探索了利用CAD／CAE技术进行个体化人工膝关节假体设计巾从数据读取到产品验证的整个流程。结论CAD评估及虚拟手术证明该设计结构是可行的；CAE计算机辅助分析证明假体的几何尺寸是合理的；该设计流程是切实可行的，它不仅对产品设计甚至对于术的策划具有较强的指导意义。     

肿瘤型膝关节置换后股骨-假体-胫骨复合体生物力学响应

目的研究肿瘤型铰链式膝关节置换术后股骨-假体-胫骨复合体正常站立状态下的生物力学响应,探讨病人术后发生股骨穿孔的原因,为肿瘤型铰链式人工膝关节假体的优化设计与制造提供理论基础。方法兼顾CT及三维光学扫描数据建立股骨远端骨肉瘤瘤段切除肿瘤膝关节置换后的病人股骨-假体-胫骨有限元模型,并进行相关有效性验证,从而进一步分析人体站立状态下股骨-假体-胫骨复合体的应力分布及应力遮挡现象。结果 (1)在站立加载状态下,相对胫骨,股骨的应力明显更大且集中分布趋势显著,股骨前1/3区域应力较大,呈现应力遮挡效应。(2)由于模型基于临床病人几何及骨质特征建立,股骨应力集中位置与临床中病人股骨穿孔位置接近,表明在施加自身重力状态下可能发生与病人病症一致的股骨损伤行为。结论肿瘤型铰链式膝关节假体植入后,由于假体髓针深入骨髓腔,正常站立状态下亦对骨髓腔产生一定的压力;由此产生的应力遮挡效应以及假体髓针与特定骨髓腔的匹配情况均可能引起股骨应力集中,从而将可能引起股骨开裂,甚至穿破,影响手术质量。建议术前优化假体设计以减轻或避免此类现象,从而减少术后患者的并发症发生率。     

人工膝关节置换:技术发展与临床应用及评价

目的:通过临床验证对人工膝关节置换术技术的发展、运用进行综述与评价。方法:以"人工膝关节;置换;假体;移植重建"为中文关键词,以"totalkneearthroplasty,prosthesis"为英文关键词,采用计算机检索1993-01/2009-10相关文章。纳入与人工膝关节置换术技术在膝损伤修复中的应用等相关文献;排除重复研究或Meta分析类文章。以28篇文献为主重点对人工膝关节置换术技术中材料的选择与运用、术后注意事项、易出现的术后问题等进行了讨论和综合分析。结果:人工关节置换术目前常采用的术式有人工全髋、半髋关节置换术,人工全膝关节置换术,膝关节单髁置换术,人工踝关节置换术,全肩、肘工关节置换术和人工手、足关节置换术等。人工关节假体是置入人体内的材料,其形态的设计、表面处理、材料选用、制造工艺以及包装的要求都十分严格。不同膝关节假体的适应证应由膝关节的骨和软组织条件决定、膝关节韧带的质量和状态、关节畸形以及关节软骨破坏的程度决定假体的选择。结论:选择高质量的假体、不断开发和推广使用其配套器械是全膝关节置换术普及和发展的关键。     

膝关节单髁置换三维参数化建模的研究

基于CT数据,运用三维重建技术建立膝关节炎三维模型,通过参数化软件Pro/Engineer 5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,然后模拟膝关节单髁置换术(UKA)并进行三维有限元分析。结果表明:三维参数化建模法效率高,实现了膝关节单髁假体设计的自动化和高效化,所建模型形态逼真,精确度高。三维参数化建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了模型基础和新的实验思路,在膝关节外科的临床和科研中将有广泛的应用前景。     

人体膝关节动态有限元模型及其在TKR中的应用

目的 研究膝关节高屈曲活动下运动和应力等的动态特征。为膝关节生物摩擦学研究提供相对运动和应力分布等生物力学数据 方法 建立包括人体主要骨与软组织的全膝关节置换前后的膝关节的动态有限元模型,对天然及全膝置换后膝关节下蹲运动和接触应力分布进行分析,并与相应的尸体实验的结果进行验证分析。结果 通过有限元分析,获得高屈曲膝关节的三维相对运动参数,胫股关节和髌股关节的接触位置和应力等动态力学参数。有限元分析结果表明,分别在膝关节过伸和高屈曲时,在胫骨高分子聚乙烯平台的胫骨平台轮柱和平台前部的交界处、胫骨平台内后方和轮柱后部三个区域发生较高的接触应力。这些也正是假体发生较高磨损率的区域 结论 所建立的有限元模型能够对于膝关节下蹲动作的运动、接触等力学行为进行评估,为临床膝关节全膝置换术、膝关节假体的摩擦学研究及其膝关节假体设计提供有力的分析工具。     

计算机辅助设计膝关节股骨远端三维B样条曲线的科研教育

背景:上海理工大学医疗器械与食品学院生物医学工程专业开设了《科研基础实训》,希望通过这门课程使学生可以利用AUTOCAD计算机辅助设计软件并结合课程书写相关学术论文。目的:培养学生的科研基础能力,为进一步实现个性化人工膝关节的设计和生产提供数据基础。方法:膝关节计算机断层扫描二维图像由上海市闵行区中心人民医院提供,要求同学们利用AUTOCAD软件对患者的计算机断层扫描二维图像进行轮廓提取,并且能得到膝关节股骨远端的三维B样条曲线,从而为人工膝关节的个体化设计制造做好准备,以更好地适应国内医学界对个性化膝关节置入的需求,更好地为膝关节置换患者服务。结果与结论:同学们对获得的人体膝关节股骨远端计算机断层扫描文件图像进行了图像处理,利用计算机辅助设计等图像处理软件对膝关节股骨远端进行了二维轮廓的矢量化和二维轮廓提取,建立了基于患者股骨远端计算机断层扫描断层胶片股骨远端二维图像轮廓的三维数据,为临床医学中膝关节的个性化设计提供了一种有效的手段。     

高屈曲度固定平台和高屈曲度旋转平台膝关节假体置换后的早期步态比较

背景：高屈曲度固定平台膝关节假体与高屈曲度旋转平台膝关节假体设计机制不同,观点也各不相同。 目的：通过对两种膝关节假体置换患者进行美国特种外科医院膝关节评分(HSS评分)及步态分析,比较两类假体置换患者的早期疗效。 方法：随机选取人工膝关节置换患者34例,按照置换假体的不同分为高屈曲固定平台假体组和旋转平台假体组进行对比观察。 结果与结论：两类不同设计假体在置换后12个月内在HSS评分及各步态参数差异无显著性意义。通过步态分析技术,能够更精确地对膝关节置换后参数进行比较,通过与临床评分结合,更全面地了解术后疗效。     

单髁置换与全膝置换:假体接触表面的应力分析

背景:单髁置换相比全膝置换具有微创优势,但相对于全膝置换金标准,单髁置换生存率仍存争议。目的:参数化建立人工单髁置换与全膝置换三维有限元模型,对比分析两者假体接触表面的应力变化。方法:选择1例单侧行人工单髁置换、对侧行人工全膝置换的志愿者,置换前采用3D CT扫描膝关节,通过三维软件建立膝关节模型,然后通过参数化软件设计与膝关节模型相匹配的关节假体,建立膝关节单髁置换与全膝置换三维模型,最后通过有限元分析软件模拟膝关节在站立和水平行走情况下,膝关节屈曲度分别为0°,10°,30°,60°时内髁的最大等效应力,并进行比较分析。结果与结论:在模拟站立位时,单髁置换假体与全膝置换假体0°,10°时最大等效应力差异无显著性意义(P0.05),模拟30°,60°时单髁置换假体最大等效应力分别高于全膝置换假体15.01%,6.08%,差异有显著性意义(P0.05)。模拟水平行走时,模拟0°,10°,30°,60°时单髁置换假体最大等效应力分别高于全膝置换假体5.45%,6.65%,6.67%,9.01%,差异有显著性意义(P0.05)。提示单髁置换假体与全膝置换假体水平位元件对聚乙烯垫片磨损无实际意义,但在水平运动时,单髁置换假体聚乙烯垫片磨损可能高于全膝置换假体,可为临床进一步提供指导意义。     

膝关节关节软骨的三维构建

目的:构建膝关节关节软骨的三维模型,为开展膝关节数字医学研究进行模型构建的探索。方法:人体成年新鲜膝关节标本1例,行CT、MRI扫描,利用三维重建软件Mimics及逆向工程软件Geomagic对图像进行三维重建及图像配准,构建膝关节骨、关节软骨结构。结果:利用Mimics 10.01软件构建关节软骨的三维模型,并形成骨-关节软骨复合模型,导入Geomagic软件中与CT构建的骨三维模型相配准,再次导入CT影像中进行逐层微修饰,验证关节软骨分割效果。最终建立具有骨、关节软骨的三维膝关节模型。结论:三维图像重建技术与图像配准技术可将CT、MRI图像两者结合起来,发挥其各自优势,构建出形态较好的膝关节三维模型。     

基于逆向工程的人工膝关节测量点云光顺建模研究

临床中实施人工膝关节假体置换手术时，大多使用国外进口的能很好地反映人体膝关节生物形态的标准型号。本研究基于逆向工程技术对国外同类产品实施反求，采用新的定位方法对表面实施数据采集，并提出三点夹角点云去噪算法和基于最小二乘法拟合平面的点云补点算法对测量点云进行光顺，然后生成准确度和光顺度较好的人工膝关节假体曲面，最后生成人工膝关节假体模型，这为人工膝关节的国产化奠定了基础。此种新算法主要适用于人工膝关节假体这一类型曲面和形状较规则及曲率变化平缓的自由曲面的测量点云光顺建模。