个体化人工半膝关节假体计算机辅助设计和快速成型的基础:股骨髁三维建模

背景:目前保肢方法有异体骨关节置换、人工金属假体置换、肿瘤骨段灭活再植等,各有优缺点。四肢骨肿瘤切除深低温冷冻大段异体骨关节置换术存在异体-自体关节不匹配和后期关节软骨坏死影响关节功能的问题。目的:评估一种由螺旋CT扫描数据获取关节软骨表面轮廓信息的方法,为基于快速成型技术的个体化人工半膝关节研究奠定基础。设计:开放性实验。单位:解放军兰州军区乌鲁木齐总医院创伤一科。材料:实验于2001-09/2003-05在解放军第四军医大学西京医院骨科研究所和西安交通大学先进制造研究所完成。样本来源:CT扫描对象为25岁健康男性志愿者。方法:采用Picker6000螺旋CT对股骨远端进行层厚1mm扫描,在Picker6000CT机的VoxelQ图像工作站进行三维容积重建,之后对重建数据间隔0.1mm下载二维断层图像。自行开发数据格式转换软件,对下载图像进行滤波、去噪等处理,求出断面图像的二维边缘轮廓矢量化数据,输入美国Imageware公司Surfacer9.0软件进行矢量化三维重建。然后通过对关节软骨轮廓的识别及假体设计需要,提取出感兴趣的关节软骨表面轮廓的三维图像,用于个体化人工半膝关节的计算机辅助设计。主要观察指标:CT图像的矢量转换和股骨髁三维重建矢量图像。结果:利用自主开发的医学图像矢量转换软件,实现了CT图像数据的矢量转换,在Surfacer9.0三维处理软件中构建出个体化股骨髁三维实体模型,并根据设计需要进行编辑,提取出可进行人工半膝关节假体计算机辅助设计需要的关节软骨三维模型。所构关节面轮廓可进一步处理,从而完成人工半膝关节假体的计算机辅助设计;其文件格式为.stl格式,可直接被快速成形软件识别和用于工程学制造。结论:由螺旋CT数据进行关节软骨外形轮廓的矢量化重建可获得精确的关节软骨轮廓三维实体模型,模型可编辑性强,为复合大段异体骨移植的人工半膝关节假体的计算机辅助设计和快速成型制造打下了基础;用此方法进行医学图像信息的矢量转换简单易行,在骨科、口腔颌面外科生物制造领域有良好的应用前景。     

个体化人工膝关节假体的计算机辅助设计

通过CT数据凄取、膝关节三维实体建模、个体化膝关节假体的设计、虚拟手术、通过有限元分析软件及基于生物力学的数字仿真软件进行计算机辅助工程假体应力状态和系统运动生物力学评价。该流程对产品设计、评价以及手术的策划具有较强的指导意义，也足产品研制质量、成本、设计周期等方面最有利的保证，表明现代计算机辅助设计技术联合工程学知识，是成功制定个体化人工膝关节假体设计的可行途径。     

应用快速成型技术复制人体骨骼模型与假肢制造设计的意义

目的:探讨一种由螺旋CT图像反求(reverseengineering,RE)人体骨骼三维轮廓、用快速成型技术复制骨骼模型的方法,探索快速成型技术在矫形外科中的应用。方法:采用Picker公司PQ6000螺旋CT对猪股骨髁部进行层厚1mm,螺距1.0扫描,在CT机的VoxelQ图像工作站进行初期三维容积重建,之后对重建数据间隔0.2mm下载二维断层图像。自行开发数据格式转换软件,对下载图像进行滤波、去噪等处理,求出断面图像的二维边缘轮廓矢量化数据线图,将线图输入美国Imageware公司Surfacer9.0图像处理软件,对轮廓曲线进行矢量叠加,获得股骨髁表面轮廓三维实体模型。经数据转换,在西安交通大学恒通公司LPS600快速成型机上复制骨骼实体模型。结果:得到了树脂实体骨骼模型,其几何外形与原股骨髁实物高度一致,复制的精度高。结论:由CT片层数据获得骨骼轮廓信息,用快速成型技术可复制骨骼三维实体模型,为矫形外科、颌面外科的假肢设计制造,复杂骨骼疾病诊断以及临床教学打下基础。     

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

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CuteFTP 4.0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Surfacer 9.0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1.5 mm.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.     

Matlab重建磨牙CT图像的三维模型的初步研究

目的:建立人磨牙的三维模型,作为今后人体牙齿的进一步力学分析的基础。方法:采用年轻女性右侧下颌第一磨牙为对象,应用CT扫描技术、CT图像处理?熏 经过滤除噪声、重新排列、二值化等操作,用MathWorks公司的Matlab6.5的体积可视化功能来进行三维模型的建立。结果:采用CT薄层扫描资料建立起来的三维模型,形态逼真,能真实反映牙齿外形及髓腔三维结构。结论:人体磨牙三维模型的建立,可以为今后的牙齿生物力学分析提供一个逼真的模型,并且可进一步进行计算机辅助设计处理,建立的牙齿模型还可以进行生物力学分析以及动力学研究,为进一步研究奠定基础。     

计算机辅助下相关数字影像资料对人工全膝关节置换术的优化作用

目的：基于Ceravision系统辅助人工全膝关节置换的手术结果，讨论相关数字影像资料对优化人工全膝关节置换术的作用。方法：选择2002-11／2003-06法国亨利蒙多医院(HOPITAL HENRI MONDOR)矫形与创伤外科用三维骨建模Ceravision导航系统辅助完成的21例人工全膝关节置换术患者的影像资料进行对比分析，根据术前的常规膝关节X射线片，下肢全长片、全麻下膝关节内外翻应力X射线片和髋、膝、踝扭转的CT片，以及术中Ceravision系统检测和术后X射线片，效果评估以重建的下肢力线膝关节内外翻≤3&;#176;为满意。①术前和术中膝关节内、外翻角度。②应力下术前和术中膝关节内、外翻角度。③术毕膝关节内、外翻角度。④并发症。结果：按意向处理分析，21例患者均进入结果分析。①下肢力线测量结果：术前X射线下肢全长片与术中电脑导航系统的测量平均外翻2．36&;#176;(内翻13&;#176;～外翻13&;#176;)，3．33&;#176;(内翻12&;#176;～外翻10&;#176;)，二者比较有显著差异(P=0．0025)。②应力下膝内翻、外翻测量结果：术前X射线正位片测量与术中导航系统的测量平均8．47&;#176;(内翻2&;#176;～内翻20&;#176;)，3．63&;#176;(内翻7&;#176;～外翻12&;#176;)，6．47&;#176;(内翻0&;#176;～内翻24&;#176;)，4．32&;#176;(内翻8&;#176;～外翻15&;#176;)，二者比较有显著差异(P&;lt;0．0001)。③术毕时膝内外翻测量结果：导航系统测得的膝内外翻平均为0．175&;#176;(内翻2&;#176;～外翻3&;#176;)，术后X射线下肢全长片测量平均0．3&;#176;(内翻3．5&;#176;～外翻1．5&;#176;)，二者比较，无明显差别(P&;gt;0．05)。④不良事件和副反应：所有的膝关节胫、股骨部件都得到满意的摆位置入。无髌骨失稳和脱位等并发症，且无异常的关节松弛度。结论：Ceravision系统辅助全膝人工关节置换术，有利于术中人机互动，取得精确的假体定位及韧带平衡和准确置换，达到下肢力线在内外翻3&;#176;以内范围的满意效果。     

人工骨三维模型的建立及其生物力学特征

目的：建立人工骨三维有限元模型，作为今后该部位进一步有限元分析的基础。方法：以狗股骨下段为对象，应用CT扫描技术、CT数据处理的软件Medical_Soft实现图像处理．经过滤除噪声、重新排列、筛减等操作，用Surfacer软件中重构的炎节面数据输入Unigraphics软件中进行人工骨股骨下端三维模型的建立将建立的人工骨模型输入ANSYS7．0，建立人工骨的三维有限元模型。结果：采用CT扫描资料建立起来的三维模型，形态逼真，能真实反映骨外形及骨髓腔三维结构。结论：人工骨三维模型的建立，可以为今后的人工骨生物力学分析提供一个逼真的模型，且可进一步进行计算机辅助设计处理，以完成生物工程活性骨的个体适配化设计、制造。     

16排螺旋CT重建技术在宫颈癌诊断及分期中的应用

目的探讨16排螺旋CT重建技术在宫颈癌诊断及分期中的应用价值。方法经活检病理证实的23例患者均行16排螺旋CT容积增强扫描；图像经后处理获得宫颈癌多平面图像。结果矢状面图像可以全面显示宫颈肿块生长趋势；轴位图像、冠状面图像可以显示宫颈旁侵犯程度及淋巴结转移情况；任意旋转位图像可以显示宫颈肿块最大截面，与周围脏器组织之间关系，淋巴结侵犯情况。结论16排螺旋CT重建技术可以全面显示宫颈肿块生长及侵犯特征，对临床分期及指导治疗有重要价值。     

基于中国可视化人体数据集和双源CT数据集的心脏三维可视化模型

目的 建立基于中国可视化人体(CVH)数据集和双源CT数据集的心脏三维可视化模型,并观察其特点。方法 选取中国首套可视化人体数据集心脏断面及临床双源螺旋CT心脏造影数据集,运用体绘制和面绘制的方法,在Amira 5.2.1软件上建立基于上述两种数据集的心脏三维可视化模型,并对其各自特点进行对比研究。结果 基于CVH数据集的心脏三维可视化模型在图像质量、解剖信息量、细微解剖结构显示方面优于基于双源CT数据集的心脏三维可视化模型,但基于双源CT数据集的心脏三维可视化模型在源数据获取的简便性、个体解剖特异性、细小血管显示(尤以冠状动脉细小分支明显)方面占据优势。结论 以CVH和双源CT数据集为基础构建的心脏三维可视化模型各具优劣,且相互补充,采用两种模型共同显示,可为临床提供丰富而全面的心脏三维可视化影像平台。     

螺旋CT及其多平面重建技术对判定食管癌侵犯周围结构的价值

目的 探讨螺旋CT多平面成像(MPR)技术对判定食管癌侵犯周围器官结构的价值，并与横断面图像对比。方法 食管癌病例行前瞻性CT检查，43例有手术病理证实，其中行单层螺旋CT(SDCT)扫描25例，多层螺旋CT(MDCT)扫描18例。双盲法阅片。结果 横断面图像与MPR肿瘤侵犯判定的敏感性分别为53．85％，76．92％，特异性分别为93．33％，96．67％，准确性分别为81．40％，90．70％，MPR优于横断面图像，但无统计学差异。结论 螺旋CT多平面重建图像能全面直观地显示肿瘤与周围结构的关系，对食管癌外侵判断的准确率较高。     

计算机断层扫描图像金属伪影校正方法研究现状

临床越来越多的患者接受金属植入手术。由金属植入物产生的金属伪影对利用CT图像进行术后评估与肿瘤诊断造成极大困难,易导致误漏诊。在滤波反投影重建算法、迭代重建算法基础上改进的校正方法近几十年来不断取得新的进展。本文对去除金属伪影技术的发展现状进行综述。     

计算机辅助设计个体化三维成形钛网修补颅骨缺损

目的探讨利用计算机辅助设计技术进行个体化三维成形钛网修补颅骨缺损的临床应用价值。方法对我科2008年2月～2010年1月21例颅骨缺损拟行手术者,术前将头颅CT数据在计算机上进行三维重建,采用颅骨缺损部位的三维几何模型数据,应用人工智能技术设计钛网几何形状,利用模具压制钛网成形,实施常规手术修复。结果患者手术效果满意度100%,1例术后出现少量皮下积液,经抽吸后继续无菌敷料加压包扎痊愈。术后经3个月～2年随访观察,15例有颅骨缺损综合征者症状均消失。结论应用计算机辅助设计三维钛网成形技术修复颅骨缺损,实现了个体化配置,使患者颅骨修补后头颅形状最大限度地恢复生理原貌,值得在临床推广。     

计算机辅助下相关数字影像资料对人工全膝关节置换术的优化作用

目的:基于Ceravision系统辅助人工全膝关节置换的手术结果,讨论相关数字影像资料对优化人工全膝关节置换术的作用。方法:选择2002-11/2003-06法国亨利蒙多医院(HOPITALHENRIMONDOR)矫形与创伤外科用三维骨建模Ceravision导航系统辅助完成的21例人工全膝关节置换术患者的影像资料进行对比分析,根据术前的常规膝关节X射线片,下肢全长片、全麻下膝关节内外翻应力X射线片和髋、膝、踝扭转的CT片,以及术中Ceravision系统检测和术后X射线片,效果评估以重建的下肢力线膝关节内外翻≤3°为满意。①术前和术中膝关节内、外翻角度。②应力下术前和术中膝关节内、外翻角度。③术毕膝关节内、外翻角度。④并发症。结果:按意向处理分析,21例患者均进入结果分析。①下肢力线测量结果:术前X射线下肢全长片与术中电脑导航系统的测量平均外翻2.36°(内翻13°～外翻13°),3.33°(内翻12°～外翻10°),二者比较有显著差异(P=0.0025)。②应力下膝内翻、外翻测量结果:术前X射线正位片测量与术中导航系统的测量平均8.47°(内翻2°～内翻20°),3.63°(内翻7°～外翻12°),6.47°(内翻0°～内翻24°),4.32°(内翻8°～外翻15°),二者比较有显著差异(P<0.0001)。③术毕时膝内外翻测量结果:导航系统测得的膝内外翻平均为0.175°(内翻2°～外翻3°),术后X射线下肢全长片测量平均0.3°(内翻3.5°～外翻1.5°),二者比较,无明显差别(P>0.05)。④不良事件和副反应:所有的膝关节胫、股骨部件都得到满意的摆位置入。无髌骨失稳和脱位等并发症,且无异常的关节松弛度。结论:Ceravision系统辅助全膝人工关节置换术,有利于术中人机互动,取得精确的假体定位及韧带平衡和准确置换,达到下肢力线在内外翻3°以内范围的满意效果。     

数字化三维重建技术定量评估青少年特发性脊柱侧弯胸椎椎弓根的形态变化

目的：应用数字化三维重建技术，对青少年特发性脊柱侧弯患者胸椎椎弓根的形态变化进行观察，分析其形态变化的规律。方法：随机选取2000-10／2004-10解放军总医院骨科需要手术矫正的青少年特发性脊柱侧弯患者18例，男4例，女14例，年龄14～19岁。18例患者均经过手术矫正内固定治疗，术后未出现严重并发症。①患者拍摄脊柱正侧位X线片，测量脊柱侧弯的Cobb角。②根据18例青少年特发性脊柱侧弯患者CT断层扫描DICOM数据，采用Mimics和3D View软件进行脊柱数字化三维重建和显示，直接在计算机上观察胸椎椎弓根的形态，测量胸椎椎弓根的横径、椎弓根-肋骨头结合体横径、椎弓根矢状径。结果：按意向处理分析，18例患者全部纳入实验。①脊柱侧弯度数测量结果：18例患者主胸弯凸向右侧，X线和CT均未发现椎体和肋骨畸形。Cobb角45&;#176;～125&;#176;，平均68．3&;#176;。②椎体形态观察：随着脊柱侧弯和椎体旋转的变化，上下关节突、横突、椎板及椎体都出现不对称变化，一般凹侧关节突和横突小于凸侧。从冠状面断层可观察到椎弓根内侧壁皮质骨厚度明显比外侧壁皮质骨厚。③胸椎椎弓根的横径、椎弓根-肋骨头结合体横径、椎弓根矢状径测量结果：椎弓根横径为3．27～7．94mm，T4左侧最小，凹侧椎弓根横径小于凸侧；胸椎椎弓根-肋骨联合体横径为11．32～15．91mm，T5右侧椎弓根-肋骨联合体横径最小；双侧椎弓根矢状径自T1-12逐渐增大，双侧无明显差异。T1右侧矢状径最小，为7．97mm，而T12左侧矢状径最大，为12．92mm。结论：数字化三维重建技术可精确测量青少年特发性脊柱患者椎弓根的各项径线。一般情况下凹侧关节突和横突小于凸侧，凸、凹侧椎弓根各个节段的形态变化存在一定规律。     

迭代重建技术在低剂量CT中的应用进展

自从20世纪70年代诞生,CT已得到了广泛的应用;据估计目前美国每年有超过6．2亿CT扫描,其中儿童CT扫描至少400万。随着CT的广泛应用,CT辐射剂量已成为人们普遍关注的问题;X线可产生电离辐射,损害DNA,有潜在的致癌风险;据估计在美国的偶然事件致癌中,接近2％是由于CT的使用所造成。因而,降低CT辐射剂量及优化CT个体化扫描,是现代影像医学中急需解决的问题。     

CT扫描出现特殊假阳性图像分析

假阳性图像不同于一般的伪影容易鉴别,由于它并不代表CT扫描层面组织结构的真实图像.如果把它混淆辨认为真阳性图像,常会导致不能诊断或误诊.现将我们科一台16排螺旋CT机,当球管处在寿命的末期时,扫描出现较特殊的假阳性图像1例,分析如下.……     

计算机辅助检测在CT结肠成像中的应用

CT结肠成像(CTC)已广泛应用于结肠疾病的诊断.计算机辅助检测(CAD),可自动检测可疑病变,供读片者进一步诊断,提高放射科医生对肿块的检出能力,并降低不同读片者间诊断能力的差异.本文对CAD的原理、对结肠疾病的诊断价值、局限性、面临的挑战和未来发展趋势予以综述.     

肺结节的CT计算机辅助检测和诊断的基本方法和应用

随着多层螺旋CT、高分辨率CT及低剂量CT的出现,计算机辅助诊断(CAD)系统发挥着越来越重要的作用,能够提高放射科医生对肺结节的检测效率和诊断水平。本文就近年来有关肺结节的CT计算机辅助检测及诊断的基本方法和应用作一综述。     

多层CT三维重建技术观测颅底各孔径值并分析其形态和性别差异

目的：探讨颅底内面多层CT三维重建图像效果及颅底各孔的正常值。方法：随机抽取2003-06／2004-04在大连医科大学附属第一医院经颅脑多层螺旋CT检查正常的成人200例，男100例，年龄21～85岁，平均54岁，女100例，年龄18～78岁，平均52岁。使用电子计算机三维重建程序立体地显示颅底内面的圆孔、卵圆孔、棘孔和破裂孔，并运用计算机的测量功能测出重建图像的颅底各孔径的内径均值，观察其形态及分析男女性别差异。结果：圆孔、卵圆孔、棘孔和破裂孔的最大径的平均值，男性左侧分别是4、57，8、27，2．66和8．98mm，右侧分别是4、56，8、38，2、68和8．92mm；女性左侧分别为4．35，7．82，2、11和8．21mm，右侧分别为4、32，7．76，2、08和8．35mm。男性卵圆孔、棘孔、破裂孔大于女性，差异有显著性意义（P〈0．01）。各孔显示率圆孔为86％、卵圆孔为100％，棘孔为99％，破裂孔为99％。圆孔80％为椭圆形，卵圆孔66％为卵圆形，棘孔77％为椭圆形，破裂孔82％为三角形。结论：多层螺旋CT三维重建图像能够清晰地显示颅底的立体结构，显示颅底主要孔径，测出的各孔径大小与解剖标本所测出的正常值比较基本一致。     

基于CT三维重建个体化股骨假体的计算机辅助设计

背景:由于人体的绝对个性化特点,标准人工假体与患者骨骼之间的误差使二者难以很好匹配.计算机辅助设计和制造个体化假体克服了其他假体的缺点,可有效地延长人工关节的使用寿命和使用质量,并可能解决人工关节的翻修问题.国内的研究尚处于起步阶段.目的:基于CT图像的三维重建,探求个体化股骨假体计算机辅助设计在提高假体与病变骨骼匹配度中的作用.方法:CT扫描对象为1例健康男性志愿者,排除髋关节疾患.采用GE Speed Light 16排螺旋CT对股骨中上段进行层厚3 mm扫描,得到CT数据的二维图像,利用自主开发的数据格式转换软件将CT图像转换为bmp格式.对位图编辑预处理,用Mimics8.1软件进行矢量化处理,提取股骨内外轮廓.然后输入Mimics8.1和Rapidform2004三维反求工程软件中,生成股骨内外轮廓的特征曲线,重建股骨三维模型.将股骨髓腔的特征轮廓曲线dxf文件输入计算机辅助设计建模软件Solidworks2004中,以此股骨髓腔轮廓为基础,完成个体化股骨假体的设计.结果与结论:利用自主开发的数据格式转换软件,实现了CT图像信息的矢量转换.以CT二维图像为依据,进行三维反求,可获得精确的股骨内外轮廓三维实体模型.采用反求工程与正向计算机辅助设计相结合,可设计出匹配良好的个体化股骨假体.提示反求工程和计算机辅助设计技术为个体化假体的研制提供了一个有效可行的途径,解决假体与病变骨骼的良好匹配,可防止假体松动,提高其长期稳定性.