现实与虚拟互动技术及其在膝关节稳定性分析中的应用

目的运用现实与虚拟互动的骨科生物力学方法,对正常人体膝关节进行三维重建、图像分割,验证该法对于关节内外结构进行生物力学分析的可行性。方法去除膝关节周围的肌肉、脂肪和结缔组织等软组织,保留完整的关节囊,用聚甲基丙烯酸甲脂将股骨下段和胫骨上段分别包埋。在膝关节标本上打上不共线的“立方体”形标志物,将实际膝关节、股骨、胫腓骨进行配准,利用三维扫描技术分析标志点空间位置的变化,对三维图像进行分析,并通过三维重建软件分析验证重建模型的有效性。结果建立了膝关节的三维空间模型结构,通过该模型可直接观察到膝关节内外结构的运动信息,能够进行力学分析和测量,分析结果证明其在仿真分析中是可行的。结论该方法适用于重建人体膝关节的三维空间几何模型,能够让人们直观地了解膝关节内部的运动信息,可直接进行结构力学仿真分析,模拟膝关节在各种负荷条件下各部位的应力、应变分布,为关节生物力学研究提供了一种简捷高效的实验方法。     

对Mimics V10.0软件三种三维重建方法 的研究

目的对MimicsV10．0软件3种三维重建方法加以阐述，为该软件在基础医学教学、术前模拟等领域的开发应用提供数字模型。方法选取3个无器质性病变成年男性膝关节，利用GELightspeed16排螺旋CT的薄层扫描技术，基于1．25mm层厚，85层人体膝关节的连续断层图像，Mimics直接读入Dicom格式原始图像，采用各种模型处理技术，获得表面漏洞及其髓腔填充后的左膝关节新蒙罩，以该新蒙罩为基础将所选取的阈值范围内的相邻象素连接并重组成图像后获得三维实体模型，将该模型表面数据网格化后得到面网格化重建模型，此外提取新蒙罩每一层的外轮廓线并重叠起来得到表面轮廓重建模型。结果3种三维重建方法得到的左膝关节模型轮廓清晰，均能旋转，方便测量。其中三维实体重建模型可被剖割，得到任意多平面重建曲面。面网格化重建模型可直接导入有限元软件，行运动生物力学分析。表面轮廓重建模型，可用于胫骨平台假体的设计。结论在Mimics软件中所获得的3种三维重建模型，为进行有限元分析、手术过程模拟、快速原型制造等奠定了数字模型基础。     

建立数字化虚拟中国男性一号膝关节的有限元模型

目的 针对数字化虚拟中国男性一号的膝关节断面切片图像，建立可供有限元结构仿真分析的膝关节三维模型。方法 将中国数字化虚拟人体男性一号膝关节部位的薄层切片数码图像输入PC机，经过分割、配准等处理后，利用三维重建软件Mimics建立三维图像，然后通过自由造型系统进行表面光滑处理，再对表面图像矢量化，存储为有限元仿真分析可以接受的格式。结果 建立了人体膝关节的三维计算机模型，并转换为IGES格式，可以提供膝关节的有限元生物力学仿真分析。结论 利用Mirnics重建后的三维计算机模型，可经自由造型系统FreeForm plus转换后应用于有限元仿真分析。     

建立数字化虚拟中国男性一号膝关节的有限元模型

目的针对数字化虚拟中国男性一号的膝关节断面切片图像,建立可供有限元结构仿真分析的膝关节三维模型。方法将中国数字化虚拟人体男性一号膝关节部位的薄层切片数码图像输入PC机,经过分割、配准等处理后,利用三维重建软件Mimics建立三维图像,然后通过自由造型系统进行表面光滑处理,再对表面图像矢量化,存储为有限元仿真分析可以接受的格式。结果建立了人体膝关节的三维计算机模型,并转换为IGES格式,可以提供膝关节的有限元生物力学仿真分析。结论利用Mimics重建后的三维计算机模型,可经自由造型系统FreeForm plus转换后应用于有限元仿真分析。     

激光三维扫描系统重建下颌骨

目的 利用激光三维扫描技术重建下颌骨三维结构，探索建立有限元几何模型的新方法。方法 利用激光三维扫描系统．多次、分区域地扫描人体下颌骨标本并形成下颌骨表面轮廓点云文件，然后对扫描点云文件进行拼接，重建下颌骨表面轮廓。结果 建立了一个人体下颌骨骨性表面的三维模型。此模型造型逼真，并可以适当的文件格式应用于有限元结构力学仿真分析。结论 在生物力学仿真实验中，激光三维扫描系统可以用于建立有限元几何模型，可解决常规CAD(computer aided design)方法难以建立非规则人体结构模型这一难题。     

首例中国可视化人体心脏三维重建及临床意义

目的 对首例中国数字化可视人体的心脏进行三维重建，为心脏疾病的影像学诊断和外科手术提供三维解剖学依据。方法 将首例中国数字化可视人体心脏部分的薄层断面(层厚1．0mm)输入SGI工作站，经数据分割、对位重建、平滑处理和三维显示等步骤，完成对心脏结构的三维重建。结果 本研究完整地重建出了心脏结构，重建的结构能够以多结构、多彩色实体模型方式显示，可显示心脏内部各结构的空间位置和毗邻关系，可在三维空间伴置上绕任意轴旋转任意角度。结论 重建出的三维图像清晰地显示了心脏内部和整体的结构，实现了心脏的二维可视化。     

基于断层图像股骨的三维重建质量优化研究

目的 研究股骨三维重建的质量优化问题.方法 基于股骨CT、MRI的医学影像图片,提取股骨轮廓,进行阀值、灰度值等调节,利用轮廓差值、减少矩阵等使其图像清晰,质量符合生物解剖结构.结果 模型与人体的实际符合,建立了可用于有限元分析的生物力学模型.结论 生成的股骨的模型准确可靠,为医学诊断、生物力学仿真计算、假肢设计等提供可靠的参考模型.     

有限元方法在颈椎生物力学中的应用

目的：研究重建颈椎三维有限元模型。方法：通过CT扫描、Unigraphics V18．0软件进行影像边界记录、定标等方法，按照点、线、面、体的顺序重建三维结构，采用CAD数据处理技术，输入相关的材料特性，验证重建模型的有效性。结果：建立颈椎的三维有限元模型（C3／4），分析结果证明其在仿真分析中是可行的。结论：建立的颈椎三维有限元模型可以模拟生物力学实验。     

基于磁共振图像建立踝关节三维有限元模型

目的重建基于正常健康人体、且有高度几何相似性及可进行良好数字化模拟的踝关节三维有限元模型,并进行初步验证分析。方法严格筛选出1名正常发育,排除踝关节畸形、疾患及损伤的青年男性,使用3.0T核磁共振的T1加权3D快速回波序列对其右踝关节进行连续矢状位扫描,将所得图像导入Mimics进行三维重建后,再经过Geomagic Studio二次加工、组装,最终建立包含关节软骨的踝关节三维模型,而后将其导入ANSYS进行模拟分析以验证其有效性。结果与国外相关实验研究数据对比表明,本模型具备高仿真的几何形态和良好的数学求解能力。结论本研究中重建的踝关节三维有限元模型,经验证是一个仿真度高、可靠性好的模型,可以帮助临床工作者和其他相关人员更好地理解踝关节的各种生物力学特性。     

基于复合人工股骨的有限元模型构建及有效性验证

目的:建立复合人工股骨的有限元模型并对其进行有效性验证.方法:采用SAWBONE第4代复合人工股骨模型及正常人股骨尸体标本CT断层扫描数据各1例对股骨进行三维重建,重建出包含皮质骨、松质骨和髓腔结构的复合人工骨实体模型及正常人股骨三维模型共2组,并模拟股骨站立位状态下受到的轴向压缩载荷,对2组模型设定相同的边界条件,对比2组模型的应力分布情况并与国外文献数据进行模型的有效性验证.结果:复合人工股骨有限元模型应力分布情况与既往文献数据较为一致,而尸体标本股骨总体应力分布显著低于人工股骨模型.结论:复合人工股骨在有限元分析结果方面与既往文献存在较好的一致性,可用于股骨生物力学研究及骨科植入物的生物力学评估,且在材料来源以及个体化解剖差异因素方面相比尸体标本具有明显的优势.     

立体三维膝关节模型的创建

目的本研究利用人体膝关节的CT/MRI二维断层扫描图片数据创建三维模型,并将重建的三维模型以IGES文件输出,可做人体结构的有限元分析等。方法使用逆向工程理论,Mimics逆向工程软件。结果研究人员可以根据特定人膝关节的CT/MRI影像的二维成像数据,通过Mimics逆向工程软件设计并创建三维膝关节模型。结论为膝关节模型数据库的建立提供了方法,给膝关节疾病的治疗,膝关节置换手术,膝关节假体设计提供临床上的精确数据,对假体、植入体的设计意义重大。     

聚己内酯半月板支架应力-应变特性的有限元分析

目的：分析聚己内酯（PCL）半月板支架在膝关节中的应力-应变特性,评估其作为植入材料的可行性。方法：通过磁共振成像（MRI）扫描志愿者膝关节获取平面图像数据,建立包括股骨、胫骨、腓骨、股骨髁及胫骨平台关节软骨、内和外侧半月板及韧带在内的完整膝关节三维有限元模型,通过计算胫骨平台的接触面积与既往文献对比验证模型的有效性;分别建立内侧半月板切除术后的膝关节三维有限元模型及PCL半月板支架替代后的膝关节模型;对比分析在1400N股骨轴向垂直压力下3种膝关节模型的半月板位移和接触压力变化以及股骨髁关节软骨和胫骨平台关节软骨的压缩应力变化。结果：在1400N股骨轴向压缩载荷下健康膝关节模型内、外侧半月板位移分别为0.83和1.76mm,PCL模型内、外侧半月板位移分别为1.15和2.20mm。在同等载荷下,健康膝关节在胫骨平台关节软骨内、外侧最大压缩应力分别为2.5和1.7MPa,在内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力分别为2.7和2.1MPa。在内侧半月板完整切除模型,内、外侧胫骨平台关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加260.0%和311.7%;内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增长214.8%和271.4%。而在将内侧半月板替换为PCL支架的模型中,内、外胫骨平台关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加8.0%和5.9%;内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加11.1%和4.8%。结论：PCL支架在膝关节三维有限元模型中具有较好的生物力学特性,能够降低半月板切除后股骨髁及胫骨平台关节软骨的应力,达到保护关节软骨的目的。     

前交叉韧带重建术后移植物应力的有限元分析

目的: 探究前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)重建后移植物应力分布特征,为ACL重建的手术方案提供理论参考。方法: 基于三维磁共振及CT影像,建立完整膝关节有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内侧副韧带、外侧副韧带、ACL、后交叉韧带;建立ACL重建后膝关节有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内侧副韧带、外侧副韧带、ACL移植物、后交叉韧带。模型采用线弹性材料属性,骨组织材料属性设置为弹性模量17 GPa,泊松比(Poisson’s ratio)为0.36;完整膝关节及ACL重建膝关节的模型中的韧带组织及ACL移植物的材料属性设置为弹性模量390 MPa,泊松比0.4;将股骨固定设置为模型边界条件,施加胫骨前向134 N的拉力为载荷条件,求解分析完整膝关节的ACL及重建术后的ACL移植物的拉应力、压应力、剪切应力、等效应力的受力状态。结果: 重建后的ACL移植物的最大压应力(6.34 MPa)、等效应力(5.9 MPa)、剪切应力(1.83 MPa)均在前侧股骨端,与完整膝关节ACL最大压应力(8.77 MPa)、等效应力(8.88 MPa)、剪切应力(3.44 MPa)位置一致。移植物最大拉应力也出现在股骨端,但位置在后侧,与完整膝关节ACL最大拉应力位置一致,且ACL移植物最大拉应力的值仅为0.88 MPa,小于完整膝关节ACL的2.56 MPa。结论: ACL移植物压应力、等效应力、剪切应力最大值均在前侧股骨端,最大拉应力出现在股骨端后侧,均与完整膝关节ACL最大拉应力位置一致;ACL移植物的前侧部分承受力较大,后侧部分承受力较小,与ACL的生物力学特性相符合。     

膝关节三维有限元模型的重建

通过MSC．MARC建立膝关节的三维有限元模型，为膝关节的创伤、骨折的力学分析及人工关节的开发提供方法学的支持。以螺旋CT得到整个膝关节的CT影像图，扫描层间距为1．0mm。以DICOM文件的数据点信息为数据源，通过相关软件读取DICOM数据文件，获得膝关节的二维CT影像，通过平面图形软件编辑和处理得到膝关节的边界，将边界曲线输入MSC．MARC中建立了膝关节三维有限元模型。通过MSC．MARC建立的三维有限元模型能够真实反应膝关节的解剖结构。     

保留半月板的胫骨近端复发性骨巨细胞瘤切除及膝关节重建术

目的 :探讨保留半月板、自体髂骨板重建胫骨平台的膝关节重建术对偏一侧髁的胫骨近端复发性骨巨细胞瘤的治疗价值。方法 :对 9例偏一侧髁 (外髁 7例 ,内髁 2例 )的胫骨近端复发性骨巨细胞瘤行保留半月板的肿瘤侧胫骨髁切除术 ,用自体髂骨板在半月板下重建胫骨平台。结果 :随访 2 4～ 5 7个月 ,除 1例再次局部复发而行带胫骨近段的人工膝关节置换术外 ,余 8例均无局部复发。重建的胫骨平台无塌陷 ,植骨愈合满意。膝关节屈伸功能均恢复正常 ,无膝关节不稳或关节疼痛。结论 :该术能够在彻底切除肿瘤的前提下 ,尽可能保留和恢复膝关节的正常解剖结构 ,可作为胫骨近端肿瘤切除后膝关节重建的新的选择术式。     

个体定制化人工半膝关节的快速设计制造与临床试用

[目的]建立以计算机辅助设计（CAD）和快速成型（RP）技术为核心的人工半膝关节个体定制化设计方案和快速制造方法，通过临床试用探讨半膝关节置换术的应用和假体设计制造技术。[方法]以患者CT扫描和三维重建等临床影像学资料为数据源，利用图像处理技术获取关节形状的数据，采用NURBS算法在Surface软件下重构出关节曲面，在计算机上完成半膝关节假体及其辅助装置的三维设计。采用RP技术制作出原型并通过精密铸造等手段完成实体制造。将假体与大段异体骨移植联合应用，对1例股骨下段肿瘤患者进行了肿瘤切除、人工膝关节置换术。[结果]全部设计和制造过程可在1周内完成。计算机分析表明，所设计的关节面CAD模型与原始数据的最大误差〈1mm，在屈、伸、旋转等状态下与胫骨关节面匹配良好，应力分布均匀。通过RP和精密铸造技术制作的假体及其辅助装置符合设计要求，可与大段异体骨装配。植入患膝后假体位置准确，能够实现与对侧胫骨关节面的良好匹配，关节间隙正常。术后患者无不良反应，可早期功能锻炼。随访1年，患者膝关节功能恢复满意，未见关节脱位、慢性疼痛等。[结论]通过CAD和RP技术制造的定制化半膝关节在特定病例中具有一定的临床实用价值。     

人体全骨盆三维有限元模型的建立与验证

目的建立人体全骨盆的三维有限元模型,提供骨盆生物力学研究的数学模型。方法获取正常成年男性全骨盆包括相邻自第3腰椎、股骨上端1／3处的CT扫描图像,运用ANSYS有限元分析系统,采用直接从原始图片生成单元和节点的方法构建人体全骨盆的三维有限元模型。结果建立了正常人体全骨盆并包含第3腰椎和股骨上1／3段的三维有限元模型,模型由721820单元,207248节点构成。结论建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具。