基于3D偏差分析的成人桡骨远端解剖对称性研究

目的　通过形态学测量方法评估成人桡骨远端解剖的对称性。 方法　采集15例正常志愿者的双侧前臂薄层CT扫描数据,对桡骨远端1/3的骨性结构进行三维重建,以模型体积和表面积作为目标参数对每一例志愿者左、右侧桡骨的三维模型进行解剖测量;进一步通过3D偏差分析方法完成双侧桡骨模型解剖对称性的定量化和可视化分析。 结果　左、右侧桡骨远端表面积最大差异小于5.6%（P=0.004）,体积差异小于9.1%（P=0.005）;3D偏差分析结果显示,受试者的最大平均负偏差为-0.40 mm,最大平均正偏差为0.34 mm;3D偏差较大的区域主要分布在桡骨远端的非关节面部位。 结论　成人桡骨远端在关节面形态方面具有高度的解剖对称性,临床上对于桡骨远端关节内骨折的外科解剖重建,采用健侧桡骨镜像模型作为参考对象有利于指导桡骨远端骨折的精准复位重建,这对于术后桡腕关节功能的恢复具有重要意义。     

基于CT灰度赋值的有限元模型建立及其在截骨矫形中的应用

目的探索一种新的有限元建模方法以解决传统建模方法在截骨矫形应用中难以实现原位CT灰度材料赋值的问题。方 法采用CT薄层扫描方式采集1例胫骨外旋扭转畸形的成人断层影像数据,利用Mimics软件对采集的胫骨CT数据进行三维重 建并生成实体模型,结合CAD软件设计截骨矫形定位轴线、旋转角度及参考平面并模拟截骨,将截骨后胫骨模型各部导入有限 元前处理软件中行网格划分并输出,重新在Mimics软件中输入CT图像的灰度-材料赋值关系公式,分别对网格模型进行非均 匀赋值并得到胫骨各部分的赋值模型,最后将各部分模型连同参考轴、参考平面再次在前处理软件中完成截骨后的装配组合, 得到截骨后完整的胫骨有限元模型,并提交模型到有限元求解器完成计算。结果采用本方法建立的胫骨截骨矫形模型同样具 备基于CT灰度的非均匀材料属性,并可用于截骨术后结构的有限元分析。结论本研究提出的有限元建模方法既保留了基于 CT灰度的材料赋值方法的准确性,又能解决传统赋值方法难以实现的骨骼模型部件之间空间变换问题,从而为矫形外科提供 高效、灵活和准确的计算力学分析手段。     

弹性蛋白对前交叉韧带力学响应影响的弹性蛋白酶定量分析

背景:前交叉韧带在复杂的生理加载环境下具有其独特的非线性力学特性。弹性蛋白作为前交叉韧带力学特性的重要贡献者,其在轴向拉伸下对前交叉韧带力学响应特性尚不明确。目的:定量分析弹性蛋白对前交叉韧带拉伸力学响应的影响。方法:制备弹性蛋白酶溶液及对照缓冲液。将猪前交叉韧带样品制备成小规格样品,随机分别浸泡于0,0.1,1.0,2.0,5.0,10.0 U/mL的弹性蛋白酶溶液中6 h,另取相同规格小样品分别浸泡于2 U/mL的弹性蛋白酶溶液中0,1,3,6,9,12 h,以确定适合弹性蛋白靶向酶的浸泡条件并进行消化效果验证,使用组织学染色比较酶处理对组织结构与成分的影响。将韧带样品随机分为酶处理组和PBS组,分别浸泡在2 U/mL弹性蛋白酶溶液和PBS中6 h,于浸泡前、后均进行力学拉伸测试。结果与结论:①生化结果表明,2 U/mL弹性蛋白酶溶液浸泡6 h能将弹性蛋白含量降低31.1%,且没有显著影响组织内其他力学相关成分;②组织学结果显示,弹性蛋白酶可渗透入组织内部,浸泡后的组织松散程度增加;③在浸泡前、后的力学结果中,PBS组的多项力学性能均显著下降,酶处理组仅有低张弹性模量显著升高及初长度显著增加;④组间比较结果显示,浸泡前PBS组与酶处理组差异均无显著意义,而浸泡后的酶处理组的低张弹性模量、初始斜率、饱和斜率和初长度比PBS组显著增加;⑤以上结果表明,弹性蛋白降解显著影响了前交叉韧带的生物力学属性,进一步补充了对前交叉韧带结构-功能关系之间的理解。     

腓骨高位截骨术对胫骨平台的生物力学分析

目的:采用三维有限元方法分析腓骨高位截骨对胫骨平台造成的生物力学改变,为腓骨高位截骨在伴有内翻畸形 的膝关节炎中的应用提供生物力学数据参考。方法:根据一例健康志愿者的CT数据,采用Mimics、Geomagic Studio2013 以及Abaqus6.13软件建立个体化的膝关节有限元模型,通过对模型设定边界条件、加载材料属性、载荷设置以及模拟腓骨 高位截骨术,计算腓骨高位截骨术前后胫骨平台的不同截面上任意节点的应力大小。结果:经手术去除腓骨的支撑后,内 侧胫骨平台的应力值变化情况不一致,内部的应力降低,中部的不变,外部的增大。而外侧胫骨平台的应力值均增加,且 其内部的应力值最大。整个胫骨平台上应力呈现往中间集中的态势。结论:腓骨高位截骨术有助于减小胫骨平台内侧的 应力,从而达到缓解膝关节炎病人的疼痛及活动不便的症状。由于术后应力的重新分布,故该术式的长期疗效及适应症 等仍需观察。     

全腰椎非线性有限元模型的建立与有效性验证

目的　为人体腰椎生物力学有限元分析建立有效的全腰椎非线性数字仿真模型。 方法　采集一名25岁的健康男性腰椎（L1~5）CT影像数据,依次通过Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、UG8.5、Hypermesh 13.0、Abaqus6.14-4五个软件建立模型,赋予各组织对应的属性。首先进行网格收敛性测试,选取合适的网格划分方案以提高分析效率。然后通过给模型施加不同的力矩载荷来模拟腰椎的6种运动（前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转）,计算腰椎各功能节段（functional spinal unit,FSU）的活动度（range of motion,ROM）。 结果　模型得出的结果与体外试验的数据类似,两者变化趋势规律一致。 结论　本研究使用的全腰椎非线性有限元模型的建立与验证方法可用于未来脊柱相关疾病的建模与分析。     

3D打印技术在骨科康复中的应用

向康复医学、康复治疗学等专业人士介绍3D打印技术,运用此技术制作的矫形器可以达到提高患者日常生活活动能力、减轻功能障碍和减少术后并发症的目的。假肢、义肢可以个性化弥补肢体缺陷、提高器具使用率;辅助器具可以满足患者特定的功能需求,帮助其重新回归家庭和社会,提高器具的使用满意度。本文综述3D打印技术的基础以及在康复领域使用该技术的优势与现阶段存在的问题,并对未来在康复领域的应用进行展望。     

膝关节单髁置换胫骨优化截骨设计的生物力学研究

目的 比较膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty, UKA)常规截骨、保留圆角截骨及全新扩大圆角截骨方法对术后胫骨近端生物力学特性的影响。方法 基于Sawbones胫骨的CT数据,构建完整胫骨模型及不同截骨方式下UKA术后胫骨模型,采用轴向压缩工况对模型进行有限元分析,比较不同模型间胫骨近端应变情况及骨水泥应力差异。结果 在轴向压缩工况下,扩大圆角组其截骨区皮质骨von Mises应变峰值较常规截骨组与保留圆角组有所增加,而松质骨von Mises应变峰值则分别减少24.3%～42.9%、26.0%～48.7%。对比截骨区松质骨与皮质骨von Mises应变峰值差Δε_peak,发现扩大圆角组其Δε_peak远远小于其余两组。UKA后不同模型间胫骨前内侧皮质骨最小主应变无明显差异,但较完整胫骨模型增加23.3%～34.5%。扩大圆角组骨水泥单元平均von Mises应力随着圆角半径增大呈现下降趋势,且整体均小于常规截骨组与保留圆角组。结论 全新扩大圆角截骨方法可使健康骨质条件下胫骨近端应力传递更均匀...     

桡骨远端3D打印模型精度的三维偏差分析北大核心CSCD

目的探讨健侧3D打印模型能否指导桡骨远端骨折的精准复位,尤其是模型关节面精度能否满足临床治疗需求。方法2016年11月至12月期间采集15名正常志愿者（男11例,女4例;平均年龄为22．8岁）的双侧桡骨CT扫描数据。对桡骨远端1／3的骨性结构进行三维重建,将左侧桡骨模型镜像重建并进行3D打印,通过光学扫描仪获取3D打印模型的数据（测试模型组）,并与右侧桡骨远端数据（参考模型组）进行三维偏差分析。结果两组模型最大体积差异为6．86％;参考模型组和测试模型组体积平均分别为（19165．82±3250．50）、（19310．65±3305．15）mm3,差异无统计学意义（t=-0．941,P=0．363）。两组模型最大表面积差异为3．84％;参考模型组和测试模型组表面积平均分别为（5075．80±549．34）、（5139．43±572．48）mm2,差异有统计学意义（t=-2．451,P=0．028）。三维偏差分析结果显示：平均正偏差为（0．37±0．10）mm,平均负偏差为（0．30±0．07）mm。模型间差异的最大均方根值为0．65。3D偏差主要分布在1．0mm以内区间,分布频率为96．27％。结论高精度设备制备的健侧桡骨远端镜像3D打印模型可以指导成人桡骨远端骨折的精准重建。临床手术中,可以采用精确、可靠的健侧桡骨镜像3D打印模型作为参考对象指导桡骨远端骨折的精准复位与重建。