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。     

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。     

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。     

义齿三维模型构建中海量点云数据模型的精简方法

背景：义齿三维模型的构建始终是义齿计算机辅助设计与制造系统的核心,而构建的三维模型的精度与效率又与对海量的原始点云数据进行精简密切相连。现有的点云精简技术,并不能完全满足义齿处理的特殊要求。 目的：针对义齿的原始点云数据进行精简,以便以最少的点,实现最有效的表达。 方法：通过三维栅格法对海量的原始离散点云数据进行拓扑重建形成一个个栅格,然后在每个栅格内拟合出平面和二次曲面,并利用弦差法来评定哪些栅格内点需要保留,哪些栅格内点需要继续八叉树剖分,从而保留曲率较大处的点云及其曲率和法向量。 结果与结论：结果表明,该算法简单高效,所提出的点云精简算法适用于逆向工程中测量所得的散乱无序的点云数据,能够对大量密集数据进行直接而有效的精简,并且对曲率变化大且含有较多细节特征的区域保留更多的细节信息。提示通过3DSS-STD-Ⅱ型结构光三维扫描仪得到的义齿点云数据在λ=0.7, ε=0.000 3 mm,时的精简效果最好。     

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。     

假肢膝关节机构的多目标优化设计

背景：如何实现穿戴者的舒适性、运动的灵活性一直是假肢膝关节研究的焦点。 目的：分析膝关节运动过程的瞬心规律,构造合适的评价函数,使其更好地满足穿戴者舒适与自然的要求,进而得到假肢膝关节结构参数。 方法：选取假肢膝关节四连杆机构作为研究对象,建立机构运动学模型,并利用三心定理,推导出连杆瞬心轨迹。考虑穿戴者运动的舒适性,建立了打分系统模型作为评价函数。进一步考虑假肢运动的自然性,以膝盖弯曲过程中实际瞬心与理想瞬心总偏差最小,以及上述的评价函数最大值作为双重优化目标,以假肢膝关节机构仿生学约束、双摇杆机构尺寸约束作为约束条件,建立多目标优化模型。 结果与结论：运用主要目标法,并通过MATLAB编程得到了优化后的假肢膝关节机构的参数。所设计的四杆机构较好地协调了假肢穿戴者的舒适性与运动的自然性。      

一种基于表面肌电信号映射人体下肢运动意图的方法

智能膝关节假肢是截肢患者恢复日常运动的重要辅具。对人体下肢运动意图的识别是实现下肢假肢控制的关键。该文针对此问题,提出了一种通过表面肌电信号预测膝关节角度的方法。对表面肌电提取时域特征,通过 BP 神经网络模型建立平地行走过程中表面肌电信号和膝关节角度的映射关系,预测膝关节角度。     

Multibody dynamic simulation of knee contact mechanics

Multibody dynamic musculoskeletal models capable of predicting muscle forces and joint contact pressures simultaneously would be valuable for studying clinical issues related to knee joint degeneration and restoration. Current three-dimensional multibody knee models are either quasi-static with deformable contact or dynamic with rigid contact. This study proposes a computationally efficient methodology for combining multibody dynamic simulation methods with a deformable contact knee model. The methodology requires preparation of the articular surface geometry, development of efficient methods to calculate distances between contact surfaces, implementation of an efficient contact solver that accounts for the unique characteristics of human joints, and specification of an application programming interface for integration with any multibody dynamic simulation environment. The current implementation accommodates natural or artificial tibiofemoral joint models, small or large strain contact models, and linear or nonlinear material models. Applications are presented for static analysis (via dynamic simulation) of a natural knee model created from MRI and CT data and dynamic simulation of an artificial knee model produced from manufacturer's CAD data. Small and large strain natural knee static analyses required 1 min of CPU time and predicted similar contact conditions except for peak pressure, which was higher for the large strain model. Linear and nonlinear artificial knee dynamic simulations required 10 min of CPU time and predicted similar contact force and torque but different contact pressures, which were lower for the nonlinear model due to increased contact area. This methodology provides an important step toward the realization of dynamic musculoskeletal models that can predict in vivo knee joint motion and loading simultaneously.     

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。     

旋转铰链式膝关节假体置换治疗恶性骨肿瘤

背景：在新的辅助化疗和人工假体设计的协助下,肢体恶性骨肿瘤的治疗效果得到大幅度提高,关节置换成为恶性骨肿瘤治疗的主要保肢方法 目的：观察旋转铰链式膝关节假体在恶性骨肿瘤保肢治疗中的疗效。 方法：选择2005-01/2009-10盐城市第一人民医院骨科收治的膝关节恶性骨肿瘤患者15例,均行旋转铰链式膝关节假体置换。置换后采用Enneking肢体肌肉骨骼肿瘤外科治疗重建置换后膝关节功能评估标准进行评估。 结果与结论：15例患者置换后获随访7~51个月。1例置换后出现感染并发症,血沉检查结果升高,经清创、关节松解和抗炎治疗后好转,关节功能得到恢复。置换后患者均未出现肿瘤复发和肺转移病例,无假体松动和体断裂出现。Enneking功能评估,肢体功能优7例(47%),良5例(33%),差3例(20%),优良率达80%。提示应用旋转铰链式膝关节假体置换治疗膝关节恶性肿瘤效果良好,可以保留良好的肢体功能,是一种较为满意的保肢方法。     

虚拟置换后的膝关节力学分析

背景：仿真力学具有可重复性和对模型无损伤性的优势,加上个性化结构模型提高了有限元分析的可靠性,选择虚拟置换后对膝关节的力学分析不失为一种优化尝试。 目的：通过膝关节置换虚拟手术,用有限元法全面分析术后的膝关节接触面的受力状况,为下一步“手术规划”实验提供客观资料。 方法：CT/MR扫描患侧膝关节,激光扫描假体,经逆向软件数字化重建假体、膝关节及其韧带并测量下肢力线, 根据膝关节置换标准,用Mimics中的Simulation性能模拟膝关节置换手术的截骨、置入假体之后, 再将所得的模型导入ANSYS划分网格、材料赋值、施加载荷,以有限元法分析接触应力分布。 结果与结论：获得最佳的全膝关节置换后3D膝关节有限元模型,测得的力学数据与前人在力学实验中对假体直接测试所获得的结果基本一致。以有限元方法分析出虚拟置换后膝关节的结构形变、应力分布、内部能量变化等情况,有利于寻找假体置入的最佳位置、优化截骨、预见手术结果,成为手术规划不可缺少的数据。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：     

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。     

中国福建东南部成人女性胫骨近端表面及断面几何参数三维数字化测量及临床意义

BACKGROUND: Artificial knee joint replacement is the main surgical method for the treatment of severe knee joint deformation, but due to the limited existing knee prosthesis type. The stature of Fujian population in southeast China was shorter than that of the north. The size of artificial knee joint usually did not fit for patients in clinic. The substitution effect was poor.     

人工膝关节常用假体材料及其生物相容性

背景：理想的假体材料对人工膝关节的功能、预后至关重要。 目的：评价各种人工膝关节生物材料的性能、应用及其生物相容性,寻找合理的膝关节替代物。 方法：采用电子检索的方式,在万方数据库(http://www.wanfangdata.com.cn/)中检索1999-01/2009-12有关生物材料应用于人工膝关节的研究文章,关键词为“组织工程,人工膝关节,生物材料”。排除重复研究、普通综述或Meta分析类文章,筛选纳入17篇文献进行评价。 结果与结论：传统的金属和骨水泥材料仍广泛运用于人工膝关节假体中,随着医学和组织工程技术的发展,各种合成生物材料相继出现。近来出现了生物相容性较好的生物陶瓷及高分子复合材料,但存在易磨损的缺点,改进上述材料的缺点,寻求理想的人工膝关节假体材料是当前生物医学工程研究的热点之一。虽然传统的金属、骨水泥、生物陶瓷及高分子复合材料均在临床上大量应用于人工膝关节,但由于其存在各自不可避免的缺点,理想的人工膝关节假体材料仍需进一步开发。     

膝关节置换的适应证及假体选择

背景：选择合适的人工膝关节对于膝关节置换患者是非常重要的。 目的：结合文献探讨膝关节假体置换的适应证。 方法：由第一作者采用电子检索的方式,在万方数据库(http://www.wanfangdata.com.cn/)中检索有关膝关节置换适应证及其相应假体选择的文章,检索时间范围：2000-01/2010-12,关键词为“膝关节置换,适应证,人工假体,生物相容性”。经检索共查到相关文献50余篇,排除内容重复、普通综述、Meta分析类文章后,筛选纳入5篇文献进行评价。 结果与结论：不同患者应根据病情、关节限制程度、固定方式和半月板功能来选择不同的人工膝关节。不同膝关节假体置换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。     

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。     

Electro-control: am EMG-controlled A/K prosthesis

Locking of the flexion of the knee-joint in this knee prosthesis can be accomplished by means of a mechanical clutch released by a control pulse which, in turn, is derived from the myolectric activity of the patient's stump. The feature enables the amputee to use the artificial leg as a reaction point for his residual muscles. Ascending stairs and ramps using the prosthesis is made possible by the use of a mechanical knee-joint which, when locked, cannot be flexed any more, but is still free to extend under the patient's control. The prosthesis described in this paper employs a rather unconventional control system. Pulse triggering, instead of pulse integration, is used. A logic device inhibits the detection system once the knee lock has occurred; the whole system is automatically re-set as soon as the patient fully extends the artificial leg. A patient can be trained to use the leg for climibing stairs in a matter of hours.     

人工膝关节模拟试验设计研究进展

人工膝关节模拟试验是对假体材料和假体设计进行研究和评价的重要形式。天然膝关节运动和载荷情况复杂,无法用常规仪器进行测试,因此需要针对各参数进行专门的人工膝关节模拟试验。目前常用简化方式和完全模拟两种方式,完全模拟方式可以对材料和设计同时进行研究,简化方式则只能对假体材料进行研究。国际标准中已有基于膝关节的运动受力和位移两种方案可供选择。本文还详细论述了人工膝关节模拟试验的评价标准和检测手段,最后对人工膝关节模拟试验今后的研究进行了展望。     

滚动式人工膝关节设计

针对人工关节中超高分子量聚乙烯(UHMWPE)磨粒导致的骨吸收、骨溶解及由此引起的假体远期松动问题,提出一种滚动式膝关节假体设计。这种膝关节假体利用金属—陶瓷滚动摩擦副代替UHMWPE-金属滑动摩擦副,通过降低膝关节伸屈运动时的摩擦阻力和假体—骨界面间的应力,从而减少磨屑产生,降低假体远期松动的可能性。