快速成型技术在骨科的应用研究进展

快速成型技术是20世纪80年代中期发展起来的,它是在计算机控制下,根据物体的CAD模型或CT等数据,不借助其他设备,通过材料的精确堆积,制造原型的一种基于离散、堆积成型原理的新的数字化成型技术;近年来通过与螺旋CT或核磁共振等检测手段的三维图像重建功能相结合,在骨科领域显示出良好的应用前景。综述了该技术在骨科领域内的器官模型制备和手术策划、个体化假体制备、骨组织工程多孔支架制备等主要应用方向的研究进展。     

计算机辅助技术在骨关节疾病中的应用

背景：以往采用二维图像资料如X射线片、CT、MRI扫描等进行骨关节病手术设计,在反映骨关节病变严重程度、病变位置和畸形情况等方面不全面、欠准确,而且缺少直观性。 目的：研究计算机辅助设计和快速成型技术辅助骨关节伤病手术治疗的新方法。 方法：按反求工程的基本原理,采用医学CT/MRI扫描获取106例骨伤病患者骨骼二维图像资料,采用计算机辅助三维重建建立骨、关节解剖模型,将骨、关节解剖模型输入CAD软件进行精确分析,进一步采用快速成型技术制作骨关节原型进行实物原型分析,然后将骨关节解剖模型输入计算机进行外科手术过程设计、预演,选择合适的内固定材料,计算机辅助设计、快速成型技术制作外科手术辅助模板、个性化植入物等,最后精确实施骨关节外科手术。 结果与结论：31例骨关节畸形患者术后恢复良好的解剖外形和功能;17例前后交叉韧带损伤患者术后膝关节功能良好;31例骨折患者术后3~6个月获得骨折愈合;7例个性化假体和8例内固定重建肿瘤切除后骨缺损患者,随访期间未发现内固定器械断裂、假体松动和肿瘤复发;12例髋臼发育不良患者术后恢复正常髋臼包容和良好髋关节功能。提示计算机辅助技术可应用于骨关节畸形精确数字化矫形,设计个性化假体,辅助前后交叉韧带重建,疑难假体置换,辅助特殊疑难骨折、关节内骨折、陈旧性骨折复位、固定,骨肿瘤的个性化切除设计、结构与功能重建。     

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。     

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。     

计算机快速成型技术在复杂重度脊柱侧凸畸形中的初步临床应用

目的采用计算机快速成型技术重建复杂重度脊柱侧凸畸形模型，探讨其在临床矫形手术中的初步临床应用价值：方法26例重度复杂脊柱侧凸畸形患者，平均年龄21．8岁（6～54岁），其中男性5例，女性21例。特发性脊柱侧凸4例，先天性脊柱侧凸20例，神经肌肉型脊柱侧凸2例。病程6～45年，平均19.3年。采用手术治疗，术前根据CT断层扫描数据进行计算机快速成型，将重建的脊柱侧凸畸形模型应用于临床。结果根据重建的脊柱侧凸畸形模型制定手术计划和进行手术设计，术中所见脊柱畸形与计算机重建模型的外形尺寸完全一致，消毒后可在手术台上直接指导手术操作。26例患者按计划完成矫形手术，矫形效果和内固定满意，未出现神经、血管损伤等并发症。结论计算机快速成型技术重建复杂重度脊柱侧凸畸形模型能够精确和直观地反映脊柱畸形情况，从而指导制定手术计划和手术操作。     

计算机辅助设计-快速成型在股骨转子间骨折修复中的应用:与常规手术修复效果比较

背景:计算机辅助设计-快速成型技术的发展,实现了从二维图像到三维实物的飞跃,为临床医生对疾病的诊断、病变点的定位、手术方案的确定提供了重要的依据,使得手术的安全性和手术的质量有了明显的提高。目的:评估计算机辅助设计-快速成型技术应用于股骨转子间骨折手术治疗的临床疗效。方法:选择2008年解放军广州军区广州总医院骨科收治的股骨转子间骨折患者30例,年龄18~55岁,随机分成常规手术组及计算机辅助组,常规手术组仅行术前胫骨结节牵引,计算机辅助组行胫骨结节牵引后提取二维CT数据,计算机辅助设计股骨转子间骨折模型,并模拟骨折复位手术,逆向设计与股骨大转子相吻合的组件,计算机精确设计手术钉道。两组均采用动力髋螺钉内固定,均记录手术时间,术中出血量,术后随访1年并采用Harris评分标准对手术效果进行评估。结果与结论:快速成型建立股骨转子间骨折的1∶1实体模型及置钉导向模版,精确地指导手术快速精确实施。快速成型技术做好的模型应用于手术,提高了手术的安全性,与常规手术组比较缩短了手术时间,减少了手术出血量,术后复查X射线见骨折端复位良好,内固定位置良好,应用Harris髋关节评分患者恢复良好,无髋内翻畸形及患肢短缩畸形,显著提高了手术的有效性,均达到了术前的预期效果。相比传统手术存在精确性不足、创伤较大、术中医生和患者需要反复受到射线照射等缺点,计算机辅助骨科-快速成型技术应用于手术具有安全,准确等优点,术前采集图像可术中反复使用,并减少术中医患的放射性损伤。     

快速成型技术在医学中的应用

快速成型是 2 0世纪 80年代末发展起来的新技术 ,它在医学上已得到广泛应用。本文对快速成型进行了简单介绍 ,主要综述了在手术计划、假体制造和生物工程中的应用 ;对某些领域中的不足也进行了讨论 ,主要是相对于工业快速成型技术可达到的精度 ,医学 CT扫描的层距显得过厚。     

快速成型技术在医学中的应用

快速成型是20世纪80年代末发展起来的新技术，它在医学上已得到广泛应用，本对快速成型进行了简单介绍，主要综述了在手术计划，假体制造和生物工程中的应用；对某些领域中的不足也进行了讨论，主要是相对于工业快速成型技术可达到的精度，医学CT扫描的层距显得过厚。     

数字化外科:数字化成型技术与颅骨植入物

由于颅骨的不规则性,常遇到植入物与患区骨骼不匹配,需临时对植入物进行塑形、拼接,这不仅造成了植入物磨损,也延长了手术时间。计算机辅助工程学的发展,植入物的加工工艺越来越精细,并使获得个性化的设计、制造成为临床应用的可能。用激光快速成型复制出患者骨骼解剖模型,将虚拟图像转化为现实,可使医生对将要进行手术的患者骨骼解剖结构有正确而直观地了解,较CT图像的可视化更为直观、方便、准确,显著提高了诊断的准确率,同时这种精确的三维可视化模型为临床诊疗和教学提供了可操作工具。制作个体化修复体是数字化成型技术最独特的优势,已成为在颅面外科应用最为广泛的领域。根据患者CT扫描数据结合CAD设计,CAM制造出符合每个患者解剖结构、与缺损完全适配的修复材料或种植体,不但功能恢复效果良好,而且外观形态十分协调,几乎可以达到解剖意义的完美修复,大大简化了手术操作、降低了手术风险、缩短了手术时间。     

快速成型技术在正颌外科中的应用

目的利用螺旋CT扫描、三维重建和快速成型技术制作三维头颅模型,并探讨其在口腔颌面部治疗中应用的可行性与准确性。方法对1例颅骨和口腔颌面部不对称严重畸形的第一、二鳃弓综合症患者使用螺旋CT连续薄层容积扫描,CT数据传至工作站后行三维重建并转换成STL文件格式。将处理后的数据输入快速成型机制造三维头颅模型,在此模型上直接进行测量,并利用患者健侧下颌骨镜像复制出其患侧下颌。结果根据CT数据制作的三维模型能立体、精确地显示颅面三维解剖结构及其相互关系。模型与真实个体之间总体误差可以控制在0．02～0．53mm。通过镜像复制出患侧下颌骨模型。为准确了解畸形情况、制定合理的手术治疗计划提供了极为重要的依据。结论快速成型技术制作颅骨镜像实体模型可行。     

快速成型技术在仿生医学训练模型研发及临床中的应用

背景:快速成型术是一项新兴技术,它在医学教育及临床治疗中承担重要作用,研究运用快速成型术来研制医学训练模型,改变模型材料结构,探求制造新技术是一顶重要的任务。目的:探讨快速成型制造形术的原理及方法,研究快速成型术在临床诊断、治疗及医学模拟教学中的运用前景。方法:应用计算机检索PubMed数据库、美国科技信息所的科学引文索引数据库及中国期刊全文数据库、中国科技期刊全文数据库,检索包括快速成形制造术、医学模拟教学、人体仿生材料、临床治疗方面最有代表性文献报道。结果与结论:快速成型制造技术的出现和发展,为不能制作或难以用传统方法制作的人体器官模型提供了一种新的制造手段。采用PRM技术制作三维医学模型,不但可以使解剖特征具体化、医生之间以及医生与患者之间易于交流,使患者易于理解医生策划的手术,而且可用于模拟教学中,指导操作,进行手术过程操练。在临床诊断和外科手术策划中,可有效提高诊断和手术水平,缩短时间,节省费用。随着生物材料知识的发展,快速成型产品在医学领域的临床应用将不断增长,从仿生性医学训练模型研制到人体骨骼再生植入,再到器官置换,应用范围将会越来越广泛。     

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。     

一种股骨头假体个性化设计方法研究

为解决人工髋关节置换手术后假体无菌松动等并发症,适应假体个性化快速设计和制造的需求,对假体设计方法进行研究.采用医用CT技术、计算机辅助设计和有限元计算分析相结合的方法,依据患者股骨髓腔解剖形状和置换要求设计髋关节假体;用有限元软件ANSYS建立股骨的三维有限元模型,并自主开发计算机程序计算得到股骨的材料参数,在股骨有限元模型中实现股骨材料的非均匀及各向异性描述;用计算机仿真植入了定制髋假体的股骨--假体系统后的接触问题;分析对比股骨在术前术后的应力、应变大小及分布,检验假体设计的合理性;定量地确定股骨在手术后所产生的应力遮挡效应的程度,研究结果表明这种假体设计和分析方法更为合理、可靠,为优化设计假体和评估假体植入后的长期稳定性提供了基本方法.     

计算机辅助设计和快速成型技术制造颜面萎缩衬垫物的可能性(英文)

背景:半侧颜面萎缩畸形的整复方法较多,以往常通过制备患者的石膏面模,在上面堆蜡来恢复患者的面形,蜡型用作手术中衬垫的参考。但由于畸形的变化多,矫治设计的难度大,矫治效果不甚理想。目的:探讨应用计算机辅助设计和快速成型技术制造用于矫正半侧颜面萎缩等凹陷畸形衬垫物的可能性。方法:对半侧颜面萎缩患者行螺旋CT扫描,利用工作站进行扫描图像的容积三维重建后,重新间隔分层,利用CuteFTP4.0软件以BMP格式下载。应用课题组自主开发的CT图像处理软件对已下载的二维图像进行过滤、筛减、降噪、校正失真等处理,对图像的边缘轮廓进行提取,得到面颅骨皮质骨边缘轮廓的矢量化线图,将该线图数据输入Surfacer9.0重建软件,对轮廓曲线进行矢量叠加,从而得到面颅骨的三维三角形面片线框模型及实体模型。将健侧面颅骨的点云数据按镜像对称变换到患侧,这样在患侧骨和健侧镜像之间就形成了充填物的三维模型,为补偿软组织的萎缩,将其外表面点云数据外移1.5mm。对CAD后的三维Surfacer数据重新分层,在RpDataRepare中完成充填物的轮廓编辑和成型的支撑设置,形成RP项目文件,输出快速原型所需的加工文件.par,制造出衬垫物模板,作为实施手术过程中的参照。结果与结论:获得了患者颅面骨表面轮廓的三维实体模型,并由计算机辅助设计,快速成型制造出衬垫物模板,并以此为参照完成手术,效果满意。说明应用快速成型技术可以完成半侧颜面萎缩等凹陷畸形的衬垫物的制造,精度高,快捷,在颅颌面外科假体的个体化制造方面有良好的应用前景。     

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。     

颅颌面部畸形个体数字化修复技术的临床应用

背景:由于颅颌面部骨骼解剖关系的复杂性,传统诊疗方法不能准确再现颅颌面部畸形的特点,更无法进行术前手术模拟。数字化模型外科技术可以提供给医生一个真实头颅的仿体,反应头颅结构的细节,能够更准确地解决颅颌面部修复对称性等难题。目的:观察数字化外科技术在颅颌面复杂畸形修复重建中的临床应用效果。方法:针对四川大学华西口腔医院2008/2009收治的7例复杂颅颌面畸形患者利用CT断层扫描得到颅颌面骨三维数据,通过计算机辅助设计并结合三维重建技术,对畸形进行修复前精确诊断、手术模拟设计,并通过快速成型技术和反求工程技术制作出三维头颅模型及个性化修复体,实现畸形的精确化修复。结果与结论:基于计算机辅助设计-计算机辅助制造技术的个体数字化修复技术能够完成颅颌面部畸形修复体的设计和制造,可以提高手术精度,缩短手术时间,降低手术风险,改善治疗效果,明显提高了复杂颅颌面外科手术的精确性。提示数字化外科技术针对复杂颅颌面畸形修复重建病例有重要的临床实用价值。     

基于叠层实体技术的脊柱侧弯快速原型制造

目前医生主要通过患者的X光片来观察、讨论脊柱侧弯病人的情况,但由于人体脊柱解剖结构的复杂性,医生难以直观地从X光片确定患者的手术方案、进行手术模拟或者对脊柱侧弯支具的设计进行指导.我们从医工结合的角度, 讨论了由患者CT数据生成人体骨骼快速原型模型STL文件的技术路线,建立了脊柱侧弯的实体模型,通过与快速成型制造系统之间的数据交换,利用叠层实体制造(LOM)技术制作了一例具有完整解剖结构的人体脊柱侧弯模型,对医生们讨论手术方案和进行手术模拟具有重要的临床价值,对医工结合领域的发展具有重要的意义.     

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。     

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。     

计算机导航系统辅助下髋臼区肿瘤的保肢治疗

背景:下肢的不等长影响肢体保肢治疗的效果。即便通过透视监测,在手术中确保肢体等长,仍是一个难以把握的问题,尤其是对于髋臼区域恶性肿瘤的保肢治疗。在骨科的其他方面,如脊柱和关节,导航技术已经较多应用于内固定器械安置和假体放置。目的:回顾分析在计算机导航系统指导下髋臼区恶性肿瘤保肢治疗的效果。方法:选择2001-01/2009-06上海瑞金医院骨科收治的11例骨盆恶性骨肿瘤患者,术前经病理确诊,肿瘤切除后应用定制型假体重建。其中8例患者进行常规保肢手术,另外3例患者行计算机导航技术辅助保肢治疗。所有患者骨盆恶性肿瘤的切除范围位于髋臼周围区(骨盆Ⅱ区)。患者保肢治疗后予以临床、影像学检查,并行下肢保肢功能MSTS评分。结果与结论:随访12～60个月。经常规保肢治疗的8例患者,平均手术时间7.6h,平均失血量2400mL,1例患者因肺部转移而在术后3年死亡,1例患者因局部复发行截肢术。除去这2例患者,保肢治疗后有3例患者髋臼假体的移位超过2cm而形成下肢不等长。MSTS评分平均20.3分。在计算机导航技术辅助下保肢治疗的3例患者,平均手术时间8.3h,平均失血量2100mL,保肢治疗后未见下肢不等长现象。MSTS评分平均21.7分。提示在计算机导航系统指导下进行髋臼区恶性肿瘤保肢手术,可以精确截骨,准确安放假体,减少髋臼区恶性肿瘤保肢治疗后下肢不等长发生率,提高患肢功能。