CAD/CAM/Robotic集成方法设计与制作生物型股骨柄假体

背景:生物型股骨柄假体无菌松动是全髋关节置换失败的主要因素,减少无菌松动的先决条件是增加股骨柄假体在股骨髓腔中的填充率。目的:得到定制式股骨柄假体在髓腔中的填充率,验证计算机辅助设计/计算机辅助制造/工业机器人加工(CAD/CAM/Robotic)集成方法和机器人磨削的有效性。方法:利用CT数据重建股骨髓腔三维模型,在此三维模型基础上设计股骨柄假体的柄体,依据标准直柄股骨柄假体近端模型设计股骨柄假体的其余部分。将设计的股骨柄假体模型导入CAD/CAM/Robotic集成系统生成机器人磨削轨迹,利用该轨迹对股骨柄假体进行磨削加工。将加工好的股骨柄假体与股骨髓腔匹配,分析股骨柄假体在髓腔中的填充率。结果与结论:实验结果表明,定制式股骨柄假体在髓腔中有良好的填充率,髓腔的解剖结构可以阻止股骨柄假体的扭转,获得股骨柄假体在髓腔中的稳定固定。     

扭转力传递的非骨水泥髋关节假体设计、制作及实验分析

背景:人体股骨髓腔具有扭转的解剖结构,如果股骨髓腔的扭转结构被复制到假体的柄体上,当假体插入髓腔并在假体上加载力时,假体将加载的力转换成股骨髓腔对柄体的扭转力并将该力传递到股骨近端。目的:优化股骨近端的力传递,避免假体近端应力遮挡。方法:利用人股骨标本的CT图片重建股骨髓腔的3D模型,将该3D模型作为柄体的设计模型。将定制式柄体模型与标准假体的近端模型拼合,形成定制式假体。采用机器人磨削技术制作定制式假体,并将定制式假体与标本股骨髓腔匹配。利用有限元仿真和实验方法分析假体上加载的力与假体近端扭转微动的关系。结果与结论:仿真和实验结果表明,股骨髓腔与柄体匹配的扭转结构,可有效地将假体上加载力以扭转力的形式传递到股骨近端,假体近端的扭转微动与柄体的微动相关,而柄体的微动可通过改变柄体与髓腔的匹配区大小得到控制。     

与关节置换有关的股骨近端髓腔解剖学研究进展

阐述与髋关节置换有关的股骨近端髓腔的解剖学研究的现状和进展。通过对中国人近端股骨髓腔解剖学参数的测量和研究,发现中国人股骨近端髓腔形态与西方人存在差异,并且股骨近端的各截面髓腔横径大小、峡部的高度及股骨前弓的弧度半径,中国人均小于西方人种,因此容易导致假体松动甚至髋关节脱位,并且股骨的髓腔开放指数及峡部的位置个体间的差异也较大。因此提出可以根据中国人解剖学特点,设计个体化的假体,使其与股骨近端髓腔匹配良好,延长假体使用寿命,减少术后并发症。     

基于X线片三维重建股骨近端髓腔

本文提出利用X线片三维重建患者股骨近端髓腔,为患者设计定制型股骨柄.并根据80根股骨样本CT图像,构建了一个中国人股骨近端平均截面数据库.数据库的构建使利用X线片重建患者股骨近端髓腔成为可能.基于X线片三维重建股骨近端髓腔的软件已被开发出来,其中包括提取患者股骨腔数据以及构建出患者股骨近端髓腔数据库等.利用这个软件重建患者股骨近端髓腔较为方便,费时较少,同时可解决一些临床上无法用CT片重建患者股骨近端髓腔的问题.     

标准截面形状定制型股骨柄假体设计

目的 介绍一种标准截面形状定制型股骨柄假体结构以及自行开发的设计方法。方法首先利用DICOM格式的患者股骨CT图像,重建患者股骨近端模型;根据重建出的患者股骨近端模型构建股骨柄假体匹配段矩形的截面边界,并在矩形截面边界内用简单的线条初步构建出假体的截面轮廓曲线;利用股骨近端模型对初步设计出的股骨柄假体进行验证,并通过调整设计参数使最终设计出的个性化股骨柄假体与患者股骨髓腔相匹配。结果 定制型人工髋关节股骨柄假体采用标准截面形状,便于快速设计出个性化假体,而且设计操作简单。参数化程序设计大大降低了个性化股骨柄假体的设计工作量。结论 标准截面形状定制型股骨柄假体的设计将有助于提高定制型人工髋关节置换手术的成功率,促进定制型股骨柄假体在临床上的应用,进一步提高患者的生活质量。     

骨质疏松患者的髋关节置换假体

<正>许多需要行髋关节置换的患者伴有骨质疏松或骨量减少,高龄脆性股骨颈骨折是严重骨质疏松的后果,也是髋关节置换的主要适应证之一,髋关节假体主要分为骨水泥型假体和非骨水泥型假体,非骨水泥型股骨假体的长期固定有赖于获得坚强的初始固定和通过骨与假体结合获得有效的二次稳定,要求假体与股骨近端髓腔尽量匹配,若假体与骨接触的缝隙宽度1 mm,会造成假体表面骨长入困难。     

髋关节置换手术定制型髓腔锉的设计与加工

目的 介绍定制型髓腔锉的设计与加工方法。方法 根据相应的定制型股骨柄假体的三维模型设计髓腔锉,在计算机辅助设计（CAD）软件中,通过截除、拉伸及偏移面等操作构建出髓腔锉三维模型。采用计算机辅助制造（CAM）技术加工出定制型髓腔锉。采用本研究的CAD及CAM方法,分别为实验及临床试用设计加工了定制型髓腔锉。结果 实验及临床试用的定制型髓腔锉被用于切削相应的尸体股骨腔及患者股骨腔,植入定制型假体以后,通过分析发现假体与股骨腔匹配较好。结论 采用该研究方法设计加工定制型髓腔锉,将能够提高植入定制型股骨柄假体的成功率,将减少定制型股骨柄假体在患者股骨腔中松动的风险,能够促进股骨松质骨长入假体表面来固定假体。     

定制型人工髋假体研究应用

假体松动是目前导致人工髋部假体置换术失败的主要原因。人类股骨上段骨髓腔大小形状差异显著,以致通常设计的髋假体柄在多数情况下不能与骨髓腔形成解剖匹配,接触面小,假体-骨界面应力分布不合理,显著影响假体-骨结合面的稳定性。近几年,按人配制的定制型人工髋假体的研究应用已受到重视。本文介绍发展定制型人工髋假体的依据、定制型人工髋假体的设计研究与临床应用以及定制型假体尚有待解决的问题。     

基于X线片定制股骨柄假体的设计原理及方法

目的 介绍自编的基于X线片设计定制型股骨柄假体程序系统的设计原理及功能模块。方法 利用图像处理方法提取X线片上一些患者股骨解剖特征点（如小粗隆最高点、股骨头中心及转子间窝等）、2个规划的手术截骨位置点（大粗隆侧截骨边界位置点及截骨线最低点位置点）以及一些设计用关键位置点（如假体远端位置、假体颈干连接段最高点位置等）,以此预测患者股骨近端髓腔,并通过输入设计参数值（如颈干角、前倾角、预留的松质骨厚度、假体匹配段截面圆弧半径及假体过渡段高度等）设计出定制型股骨柄假体。并对设计出的定制股骨柄假体进行匹配区域多个截面的二维截面验证和三维的总体验证。结果 根据验证情况,调整设计参数重新生成股骨柄假体模型点云数据,使设计出的股骨柄假体与患者股骨腔相匹配,达到定制型假体设计要求。结论 介绍的程序系统可用于为患者设计定制型股骨柄假体,设计周期较短,成本较低,有利于促进定制型股骨柄假体在临床上的应用,进一步提高患者的生活质量。     

基于三维CT多平面重建股骨近段髓腔的形态学实验

背景:股骨近段髓腔的形态学特点对于股骨假体的匹配和远期稳定性至关重要。但目前还没有基于三维CT多平面重建股骨近段髓腔的形态学研究。目的:分析国人近段股骨髓腔的总体三维形态学特点,用以指导假体设计和手术操作。方法:50件(25对)正常国人的股骨标本,由吉林大学基础医学院解剖学教研室提供。对股骨标本进行CT扫描和多平面重建,在矢状面、冠状面及横断面重建图像中选择标准化层面分别测量股骨前弓角、近段股骨髓腔长度、股骨距轴线与近段股骨髓腔轴线的夹角(股骨距矢状面倾角)、干骺端髓腔内壁倾角以及股骨颈前倾角。应用Pearson二元相关分析明确以上参数的相关性。结果与结论:近段股骨髓腔长度为(175.6±8.6)mm;股骨前弓角为(10.6±1.8)°;在经股骨距内缘层面、中份层面和外缘层面股骨距矢状面倾角分别为(12.7±1.2)°,(6.3±0.9)°,(0.3±0.06)°;干骺端髓腔内壁倾角为(18.8±2.7)°;股骨颈前倾角为(11.0±2.3)°。相关分析表明股骨前弓角和股骨颈前倾角呈显著正相关(r=0.749,P=0.014)。在矢状面上,由内侧向外侧股骨距轴线与近段股骨髓腔轴线逐渐趋向一致。虽然在外观上近段股骨在干骺端部位存在后弓,但近段股骨髓腔的轴线为直线,近段股骨髓腔无后弓。提示进行初次人工全髋关节置换,直柄假体更能够适应国人近段股骨髓腔的形态。干骺端髓腔内壁的较大倾角使其成为股骨近端应力承载的最重要部位,因此干骺端髓腔内壁倾角应作为假体选择和术前计划的重要参数。     

生物型自锁式人工髋关节假体的改良设计

BACKGROUND: Hip prosthesis needs to meet the good structural compatibility with femoral bone marrow cavity and the biomechanical properties of the original bone tissue. However, the difference of individual anatomical characteristics and the stress concentration in the local area after replacement directly affect postoperative combination of femoral prosthesis stem, force flow transfer and femoral reconstruction, and finally result in aseptic loosening of hip joint in some patients.     

成人股骨中下段的解剖学与扁弧形长针的设计应用

目的:通过对成人股骨远端解剖学参数测量及股骨骨髓腔观测,为扁弧形长针的设计及治疗股骨远端骨折提供形态学基础.方法:选用成人干燥股骨60根,平均分为2组,一组测量股骨长度、内外侧髁、内外上髁等有关数据,另一组测量股骨的密质厚度、髓腔内径及髓腔狭窄区、最远端断面皮质骨侧缘切线与中轴线所形成的夹角,并对测量结果进行统计分析.结果:股骨内侧髁宽度为(47.41±3.44)mm;股骨外侧髁宽度为(33.77±4.79)mm;股骨髁干角96.32°±2.30°;远端松质骨的长度为(50.00±7.90)mm;股骨干长度为(382±8.00)mm.成人股骨髓腔形态复杂,近远端呈漏斗状,而中间非松质骨部呈类柱体,中上段1/3部位最为狭窄,远端呈冠状面宽,而非松质骨部呈矢状面宽,且股骨髓腔具有一向前弧度.结论:股骨远端解剖学参数和股骨髓腔形态特点为扁弧形长针的设计研制和临床应用提供了解剖学依据;扁弧形长针其形态结构特点与髓腔顺应性好,可有效抗分离移位、抗旋转,操作简单,成本低廉,是治疗股骨远端骨折的有效内固定器械之一.     

基于MRI和三维CT个性化截骨导板在内轴型膝关节假体置换中的应用

背景:基于三维CT数据的个性化定位导板可提高后稳定型假体关节置换的精确度,但基于三维CT扫描数据的骨性结构重建忽略了股骨远端关节软骨厚度,将影响个性化截骨导板使用及全膝关节置换后的临床效果。目的:探讨基于MRI和三维CT的个性化截骨导板辅助内轴型膝关节假体置换的安全性、准确性及早期临床疗效。方法:选择南京医科大学附属南京医院骨科2018年2月至2019年4月收治的110例膝关节骨关节炎患者,均使用内轴型膝关节假体行全膝关节置换,随机分2组进行手术,试验组58例在基于MRI和三维CT的个性化截骨导板辅助下完成膝关节截骨,对照组52例采用传统髓内、髓外定位方法完成膝关节截骨,记录两组手术时间、术中出血量。术后随访复查X射线片,并评估膝关节协会功能KSS评分与目测类比评分。结果与结论:①110例患者获得6-10个月随访,未出现严重术后并发症;②试验组手术时间、术中出血量少于对照组(P<0.01);③术后1个月X射线片显示,试验组术后髋-膝-踝角、冠状面股骨组件角、冠状面胫骨组件角、矢状面胫骨组件角与理论设计值的偏差均小于对照组(P<0.01);④试验组术后1,3,6个月的膝关节功能KSS评分高于对照组(P<0.05),两组间目测类比评分比较差异无显著性意义(P>0.05);⑤结果表明基于MRI和三维CT的个性化截骨导板辅助内轴型膝关节假体置换,能有效提高假体安放准确性,缩短手术时间,该方法安全可行,早期临床效果满意。     

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。     

正常股骨近端CT测量及其临床意义

目的:通过CT测量正常国人股骨大体形态参数,为假体设计提供解剖学理论依据。方法:60例国人进行股骨近端CT扫描,利用医学图像处理软件对股骨头直径、offset、头位置、颈干角、皮质厚度及闪烁系数(canal flare index,CFI)等参数进行测量、比较。结果:①小转子区域,均可见到自后内侧股骨距部突出的皮质骨样板状结构,对于维持生物固定型假体的稳定起着十分重要的作用;②股骨参数与白种人相比较,在offset、股骨头中心位置及颈干角等参数间存在明显差异(P<0.01);③截骨平面股骨内径与股骨近端及峡部内径有很强的相关性;④年龄与皮质厚度有强的相关性(r=0.6601,P<0.01),随着年龄增长,髓腔内径逐渐增大;⑤干骺闪烁系数(metaphyseal canal flare index,MCFI)对于股骨近端形态变化的描述更为合理。结论:股骨形态复杂多样,有必要设计符合国人的假体,提出与假体相关的设计理念。     

3D打印PEEK材料假体置入CT表现：骨肿瘤患者10例

目的 阐述3D打印PEEK材料置入后随访的CT特征及改变。方法 回顾性分析2020年2月至2021年6月间骨肿瘤患者行瘤段切除3D打印PEEK材料假体置入后的CT图像10例,通过多平面重组观察、测量CT值等方法分析假体形态、密度改变及假体－骨界面的情况。结果 10例假体均未发生变形及折断,各个假体与骨接触面密度均无较大改变,残留骨与假体接触面发生不同程度骨质吸收。10例中有5例残留骨表面出现骨膜新生骨,2例出现感染,1例出现脱位表现。均未见肿瘤复发征象。结论 CT可以评估假体的位置、形态、密度改变及与自体骨间关系,可以发现相应的并发症,是这类手术患者术后首选的随访方法。     

Removal of bone cement from the femoral canal using an acoustic emission-controlled milling device

The removal of bone cement from the femoral canal in the case of hip prosthesis loosening takes a considerable amount of time and carries the additional risk of complications, thus risking bone damage and perhaps even endangering the successful reimplantation of a new prosthesis. We have demonstrated experimentally that the milling of bone and bone cement produces acoustic emission waves of different intensity. These waves can be measured by a commercial acoustic emission transducer. This method enables us to control a milling device during the removal of bone cement from deep in the femoral canal, avoiding the serious damage to the bone and thus enabling a new prosthesis to be reimplanted.     

采用锥形沟槽式股骨组配柄假体行股骨侧翻修

背景：组配式股骨柄翻修假体在理论上被认为能够克服骨水泥固定型股骨柄假体或生物学固定型非组配式股骨柄假体存在的各类缺点,一些文献也初步证实这类假体能取得更为满意的疗效。 目的：回顾性分析采用锥形沟槽式股骨组配柄假体行全髋股骨侧翻修的效果。 方法：2000-05/2005-08苏州大学附属第一医院收治全髋股骨侧翻修患者19例(21髋)。翻修前诊断均为股骨柄假体合并臼杯假体的无菌性松动。股骨侧骨缺损按Paprosky标准,诊断为Ⅱ型缺损者4髋,Ⅲa型缺损者14髋,Ⅲb缺损者3髋。全部患者的股骨侧翻修均采用利马锥形沟槽式股骨组配柄假体,股骨柄假体为钛合金制造。对翻修效果进行随访观察。 结果与结论：所有假体均获初始稳定,未发生感染、脱位等并发症。随访5~10年,末次随访Harris评分维持在(92.2±3.5)分。X射线片显示翻修柄获广泛骨长入达骨性稳定者20髋(95%),纤维性稳定者1髋(5%)。所有患者的近段骨缺损植骨区均显示广泛性骨修复。翻修柄在正、侧位X射线片上的髓内充填率分别达80%和70%以上者18髋(86%),< 80%和70%者3髋(14%),全组假体平均下沉2.4 mm。至今未见因假体松动或其他原因需行再翻修治疗患者。提示采用锥形沟槽式股骨组配柄假体行全髋股骨侧翻修,必须注重手动扩髓等方法预防骨折,合理的髓内充填和近段组件调整以预防假体下沉和脱位,以及锥形连接处近段的植骨重建等技术关键,才能取得更为满意的效果。     

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