个性化踝关节假体的设计及三维有限元分析

目的针对当前踝关节假体失效率高、临床应用风险大的问题,提出一种个性化解剖型踝关节假体的设计。方法首先建立正常人体足踝系统的三维有限元非线性模型,对模型的有效性进行验证;设计解剖型踝关节假体,对全踝关节假体置换进行几何仿真,建立假体-足踝系统的三维有限元模型;施加步态载荷,计算分析假体的生物力学特性。结果正常踝关节系统足底最大接触应力为214.6 k Pa,足骨最大等效应力为8.96 MPa。对比文献与仿真所得足底反力与足骨应力,验证了正常足踝有限元模型的可靠性。假体植入后,仿真所得距骨钛合金假体、聚乙烯衬垫、胫骨假体等效应力峰值分别为23.88、19.24、73.01 MPa,足踝假体应力相较正常足踝应力有大幅度上升。结论有限元分析的对比结果考察了个性化踝关节假体的可行性,为进一步假体设计优化以及临床应用提供参考。     

踝关节三维有限元数字模型的建立

背景：对于踝关节的生物力学的研究日益成为热点,也从以往传统的生物力学已发展到有限元力学分析。 目的：建立踝关节的三维有限元数字模型,探讨踝关节各组成部分的应力分布规律。 方法：对一名成年女子行踝关节螺旋CT扫描,将所得图像经Mimics、Geomagic处理,得到三维有限元数字模型。 结果与结论：建成了包括胫腓骨下段、距骨的三维有限元数字模型。该模型外形逼真,几何相似性好,可以随意旋转,方便从多角度观察模型,采集三维信息,适合进行生物力学研究。      

旋后外旋型踝关节损伤有限元模型的建立与力学分析

目的模拟旋后外旋型踝关节损伤,建立踝关节三维有限元模型。方法基于正常人体踝关节CT图像,建立包含韧带的踝关节三维数值模型;采用有限元方法对Lauge-Hanson分型4种不同程度的旋后外旋型踝关节损伤进行分析,得到踝关节应力及胫距关节面的压力分布。结果施加旋后外旋载荷时,应力最大值位于胫腓前韧带胫骨附着点;断裂胫腓前韧带后,则位于骨间膜;继续断裂骨间膜后,应力较大值位于踝关节后韧带;再断裂胫腓后韧带后,应力较大值位于三角韧带。压力较大值则位于腓骨远端、胫距下关节面后部。结论建立的踝足部三维数值模型可用于旋后外旋型踝关节损伤的的力学机理分析,计算出的踝关节应力及胫距关节面的压力分布符合临床中Lauge-Hanson分型的描述。     

踝关节内侧韧带损伤肌腱重建的三维有限元分析

背景：踝关节内侧三角韧带损伤的重建方法很多,但是目前还没有研究对这些方法进行对比。 目的：三维有限元法对比Wiltberger、Deland、Kitaoka和Hintermann 4种修复方法重建踝关节内侧韧带损伤肌腱后的效果。 方法：建立踝关节三维有限元模型,模型中包括踝周的6块骨性结构、软骨和主要韧带。对模型进行验证试验后,在其基础上建立三角韧带损伤、Wiltberger、Deland、Kitaoka和Hintermann重建模型。在踝关节不同屈曲角度上对模型施加外翻及外旋应力,比较重建后的踝关节生物力学。 结果与结论：4种重建方法均不能使踝关节生物力学完全恢复正常,其中Kitaoka法在恢复踝关节外旋稳定性上最有效,Deland法在恢复踝关节外翻稳定性上最有效。提示4种内侧韧带肌腱重建术式中,Kitaoka和Deland法较其他方法能够相对有效的恢复踝关节旋转稳定性。     

多孔结构设计人工踝关节衬垫生物力学的优化方案

背景：假体松动和磨损是导致全踝关节置换失败的主要原因，其与骨-植入物界面的微运动、关节面的接触应力和关节运动密切相关。包括衬垫和胫/距柄假体在内的人工关节部件的设计构造是影响踝关节受力、运动、接触界面微运动的关键因素，开发新型衬垫对提高人工踝关节生存率具有重要意义。目的：构建全踝关节置换有限元模型用以检测多孔结构优化型衬垫的生物力学特性，分析多孔结构优化型衬垫在减少假体微动和改善关节面接触行为方面的作用。方法：以一名健康成年人右踝关节CT扫描数据和INBONEⅡ系统产品手册为基础，建立包括骨骼和人工关节系统的三维模型，在经过截骨和假体安装后获得全踝关节置换模型(模型A)，再通过对原始衬垫进行多孔结构改造获得G50型、G60型、D50型、D60型4种新型衬垫，将不同衬垫替换原始衬垫以建立与之相对应的优化型全踝关节置换模型(模型B-E)，在5个模型上施加步态载荷模拟步态工况。比较5种模型植入物-骨界面微动和关节面接触行为的差异。结果与结论：(1)在步态周期下4个优化型全踝关节置换模型的假体微动小于原始模型，与模型A相比，模型B-E假体微动数值上分别下降5.4%,10.1%,8.1%及20....     

三维模型中踝关节中心定位的研究

目的　应用不同方法在三维重建模型上定位踝关节中心,并判断各方法的可行性,准确定位踝关节中心,进而为三维模拟下肢膝关节置换术提供形态学基础。 方法　对33例正常成人踝关节行CT扫描,数据导入三维重建软件Mimics,重建出踝关节三维立体模型,在逆向工程软件Geomagic Studio中分别采用距骨顶部中点（A点）、距骨顶部点云质心（B点）和内外踝间距中点（C点）3种方法对踝关节中心进行定位,并在冠状面上对三中心点之间的距离进行测量,应用统计软件SPSS对数据进行分析。 结果　成功建立了踝关节的三维立体模型,并用不同方法定位出踝关节中心。测量结果显示A点与B点之间的距离为(1.058±0.741)mm, B点与C点之间的距离为(1.684±1.283)mm, A点与C点之间的距离为(1.484±1.040)mm。且每个中心点之间的距离差异不具有显著性(P>0.05)。 结论　基于三维重建模型上的踝关节中心定位方法具有可行性,且与二维平面上的定位相比稳定性更高,其中距骨顶部点云质心作为踝关节中心较其他两种方法更简便易行。     

基于CT影像的人体心脏三维重构

三维重构是研究心脏血流机理及特性等问题的有效手段,本文基于CT断层扫描数据,利用Mimics处理工具对心脏进行三维重构,并对左心室优化模型进行偏差分析,优化改变了重构模型的粗糙度,对左心室结构的影响较小为后续探究心脏内部血流模式及特性、血液生理学参数异变和组织结构病变提供了基础研究。     

踝关节三维有限元生物力学研究的临床转化

背景：踝关节是人体的负重、足部压力的缓冲和人体与地面接触的枢纽,极易受到损伤;骨科生物力学领域的研究不断成熟和发展,利用三维有限元软件建模分析踝关节生物力学并研究临床疾病逐渐成为研究热点。 目的：探讨踝关节三维有限元生物力学的研究现状,并对其临床研究进展作一综述。 方法：应用计算机检索CNKI期刊全文数据库和PubMed数据库中1986年1月至2014年3月关于踝关节有限元的文章,以“踝关节、有限元、生物力学、力学研究”或“ankle, finite element, biomechanics, mechanics research”为检索词进行检索;排除与研究目的无关和内容重复的文献;保留47篇文献进行综述。 结果与结论：踝关节生物力学机制复杂,各种损伤后都可能打破其周围结构的力学平衡而导致不稳定,诱发创伤性关节炎。踝关节三维有限元模型可准确反映解剖学结构特点、虚拟仿真可以再现手术方式及过程逼真的模拟,模拟压缩、拉伸、弯曲、扭转、抗疲劳等力学实验,并从静态的生物力学转向动态的方向研究,为分析临床疾病进而找到更合适的诊治方案。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;组织工程全文链接：     

踝关节融合术后后足关节生物力学分析

目的 探讨踝关节融合术后后足关节的生物力学特性。方法 利用健康成年男性志愿者右踝关节CT图像，构建踝关节融合前的三维有限元模型，在此基础上模拟踝关节融合术后骨性融合状态，采用中立、外旋、内旋、背伸和跖屈的5种载荷工况分别对融合前、后模型组进行有限元分析，评估踝关节融合前后的整体刚度变化、距下关节和距舟关节的接触力学特性变化。结果 踝关节发生骨性融合后，整体结构刚度较融合前模型显著增高；除中立位工况以外，融合后的距下关节的接触面积均有所减少，距舟关节接触面积则有所增加；而融合后的距下和距舟关节的接触应力在各工况下总体呈降低趋势。结论 踝关节骨性融合术后相邻关节的接触特性改变可能是足部整体结构刚度提高后承载模式发生变化的结果，其与相邻后足关节退行性改变之间的关联尚有待进一步研究证实。     

踝关节内翻防护型半刚性踝护具的力学特征

目的为探究踝关节易内翻扭伤的机制,设计一款适用于人体踝关节非对称生理结构、可有效防护内翻的踝护具。方法分析导致踝关节内翻的解剖学因素,基于踝关节解剖的非对称结构,构思一种非对称结构踝护具。运用Kinect系统及Geomagic Studio软件,对成年男子踝关节进行三维扫描并数字建模,通过3D打印技术建立踝关节模型。以EVA膜、硅胶膜和裹边紫铜网为原材料,采用立体裁剪及复合材料加工技术,制备两种非对称结构的踝护具。对踝护具的塑形性能、拉伸性能、疲劳性能、外衬面料透气性和摩擦性等进行表征。结果非对称结构踝护具的外侧具有良好的塑形性能,拉伸弹性回复率低。在小应力长时间作用下,EVA复合材料和硅胶膜复合材料均能保持较好的弹性回复,可有效承受内翻外力。外衬面料的透气性和摩擦性试验结果表明,针织涤纶面料较适合作为外衬材料。结论所设计制备的非对称结构踝护具的力学性能可满足踝关节内翻防护要求。外覆面料可提高踝护具的吸湿透气性能,摩擦性能较好。     

利用有限元分析技术探讨后踝骨折的治疗方案

目的通过踝关节三维有限元模型,研究静止站立位后踝骨折后胫距关节面的应力变化及位移趋势,为后踝骨折的治疗提供理论依据。方法以一套正常人体站立位踝关节CT图像为原始数据,应用有限元建模技术,建立带有关节软骨的踝关节三维有限元模型,对模型的有效性进行验证。通过对后踝关节面进行分区、切割,模拟计算后踝不同骨折范围条件下施加正常应力时的关节软骨接触面积、最大接触应力、平均接触应力、最大位移等参数。结果随着骨折范围的增加,胫骨软骨接触面积呈逐渐减小趋势,胫骨软骨的平均接触应力值逐渐增大,胫骨相对位移增加。胫距关节的应力区主要集中在踝穴的外侧及前外侧,当后踝骨折面积超过1／3时,关节负重区面积明显缩小,关节位移趋势增加。结论后踝骨折面积超过1／3时,关节接触面积明显减小,应力变化明显增加,关节位移趋势增加,预后不佳,具有手术复位固定的指征。     

M3D:面向3D打印的医学图像重建平台

本研究旨在构建面向3D打印的医学图像3D重建平台,实现医学影像数据的目标分割、3D重建与3D打印所需区域裁剪与输出功能。该软件平台采用Qt设计用户界面,调用ITK、VTK类库处理医学影像数据。软件平台实现了医学影像数据的输入输出及处理、分割与3D重建等功能;在3D打印模型输出前,可实现对感兴趣区域的截取。以肘关节为例,利用该平台可实现模型重建,截取区域输出STL文件并完成3D打印。结果表明,该软件平台操作简单、界面简洁,可以从医学影像数据中重建得到3D模型,并进行3D打印,具有重要的临床应用价值。     

深蹲动作下三连杆模型的对比分析

目的 探讨三连杆模型用于深蹲动作互动动力学分析的合理性，明确三连杆模型与Visual 3D计算关节力矩的差异来源。方法 选取8名受试者，通过Vicon获取深蹲动作运动学数据，采用拉格朗日第二类方程建立三连杆动力学方程，基于Mathematica编程计算获取关节力矩，与Visual 3D下肢链节段模型计算结果进行对比分析，并采用复相关系数（coefficient of multiple correlation, CMC）评价两者的相似程度。结果 8名受试者髋、膝关节CMC均大于0.85，踝关节CMC在0.50～0.85之间，三连杆动力学方程和Visual 3D计算的关节力矩在髋、膝关节处高度相似，在踝关节处仅呈现中度相似性。结论 三连杆模型可用于深蹲动作的关节力矩分析以及进一步的环节互动动力学分析，但应当考虑由地面反作用力引起的互动力矩（外力矩）对踝关节力矩的影响。     

男性青年踝关节外侧副韧带损伤后行走步态分析

目的 获取青年男性踝关节外侧韧带损伤者行走时踝关节的运动学和动力学参数,探讨损伤者行走步态的生物力学特性。方法 采用Qualisys MCU500三维运动影像捕捉系统与Kistler三维测力台,对踝关节外侧副韧带损伤者与健康者各15名的行走步态进行三维同步测试。结果 踝关节外侧副韧带损伤者竖直方向的地面反力变化平缓;在支撑时相中前期,损伤者前后方向的力要比健康者大;在步态周期的60%之前,损伤者左右方向的力明显大于健康者。损伤者关节跖屈力矩变化与健康者相似,患侧外翻力矩、外旋力矩最大,损伤者健侧输出功率最大。结论 损伤者踝关节的稳定性下降,行走时步态异常,为减少患侧负荷,健侧出现代偿效应,足着地瞬间加速过度到垂直支撑时相。本研究为预防踝关节以及损伤后的临床治疗以及康复训练等提供一定的理论参考。     

基于反距离加权插值和改进采样点数据合成的医学影像三维重建

传统的体绘制光线投射算法虽然已成为医学影像三维重建的主流方法之一,但是其生成的三维模型质量与绘制速度仍不能满足临床医学诊断的要求。本研究提出一种基于反距离加权插值和改进采样点数据合成的医学影像三维重建算法,通过反距离加权插值方法提升绘制速度;通过增加采样点的个数提高三维重建的成像质量。实验结果表明,该算法在提高成像质量的同时可以提高绘制速度,可将圆锥绘制速度较传统方法提升20％,髋关节平均绘制速度提升18％,并且生成圆锥图像的MSE小于传统算法,SSIM大于传统算法。     

股骨上段的三维重建

人体髋关节在发生严重病变、骨折等情况时，进行人工髋关节的置换是一条可行的途径。股骨的三维重建为髋关节假体的优化设计提供了依据。计算机断层扫描技术的发展，使得以无损伤技术获得病人关节骨断层的几何形状成为可能。将不同层面上的二维图像数据按照断层的空间位置依次排列，就可以形象地显示病人关节的三维图像。本文以人体髋关节为例，从ＣＴ片的图像处理、轮廓数据筛选、三维网格面建立以及股骨实体化等几方面介绍了股骨上端的三维重建过程。     

个体股骨头坏死三维有限元模型的建立与应用

同时基于个体股骨头坏死患者的X-ray、CT和MRI图像,采用图像配准和融合技术对包含坏死股骨头的髋关节进行三维重建,获取具有高度几何相似性的三维有限元网格模型。选择1例中年女性股骨头坏死患者,分别获取X-ray、CT和MRI三套图像,采用Mimics 13.1和Pro/E 5.1软件分别基于这三套数据建立相关三维实体模型,经图像投影转换后,确定图像之间的匹配点,进行二维图像配准,配准后对成功融合的图像进行三维有限元网格模型显示。建立了具有良好几何相似性的髋关节三维有限元网格模型,包括正常皮质骨、松质骨、关节软骨和股骨头坏死区、断裂骨小梁等六部份,较真实地反映了包含坏死股骨头的髋关节的形态特征及毗邻关系,为进一步的生物力学分析和手术模拟提供了较理想的研究平台。