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。     

膝关节置换后的疼痛管理(英文)

<正>A successful TKA depends on multiple factors,such as patient an prosthesis selection,surgical technique,pain management and functional exercise.Functional exercise after TKA is a painful,but necessary process,which is impartible part of this procedure.(Figure 1)How to avoid this problem effecttively is what surgeons seek to:Per-operative     

膝关节单髁置换三维参数化建模

背景：用于外科训练和演练的单髁假体模型因尺寸和特征固定而无法满足个体患者的实际需求。 目的：为膝关节单髁置换的数字化研究提供一种三维参数化建模方法。 方法：运用三维重建技术建立膝关节炎三维模型,然后通过参数化软件Pro/Engineer 5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,最后模拟膝关节单髁置换并进行三维有限元分析。 结果与结论：三维参数化建模法效率高,实现了膝关节单髁假体设计的自动化和高效化,所建模型形态逼真,精确度高。三维参数化建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了模型基础和新的实验思路。     

全髋置换对膝关节运动状态的影响(英文)

背景:处在不同运动状态的人体下肢关节系统,其力学特性和关节变形量具有较大的差别。全髋置换是目前解决髋关节严重疾病的最终方法。明确置换前后人体下肢系统,特别是膝关节对置换的响应对于患者的康复训练具有积极意义。目的:通过对健康者和行全髋置换后19个月的患者,在相同的测试环境和测试方法下进行数据采集,对比分析髋关节置换对膝关节在运动中关节变形量的影响。方法:采用NDI公司的动态捕捉系统对行全髋术后19个月的患者进行测量,同时与患者身体状况相似的健康志愿者采用相同的测量仪器和测量方法进行实验。测量内容包括步长,步频,关节转角和关节位移曲线,并根据测量数据计算各关节的速度和加速度。结果与结论:由于髋关节置换对患者的自然关节状态进行了破坏,虽然置换后的步态没有太大的差别,但是通过实验数据可以发现,膝关节的变化量比正常状态下要大,说明人体自身进行了调节,通过增大膝关节的负荷,增加变形量来弥补由于髋关节手术所带来的损伤。     

膝关节单髁置换三维参数化建模的研究

基于CT数据,运用三维重建技术建立膝关节炎三维模型,通过参数化软件Pro/Engineer 5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,然后模拟膝关节单髁置换术(UKA)并进行三维有限元分析。结果表明:三维参数化建模法效率高,实现了膝关节单髁假体设计的自动化和高效化,所建模型形态逼真,精确度高。三维参数化建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了模型基础和新的实验思路,在膝关节外科的临床和科研中将有广泛的应用前景。     

冷冻保存同种异体软骨移植修复膝关节软骨缺损(英文)

背景:采用传统方法冻存后,关节软骨细胞存活率低,且软骨表层与深层的软骨细胞存活率差别较大,移植物易发生退行性变,导致手术失败。目的:经打孔梯度降温冻存膝关节软骨后并行异体移植,观察打孔梯度降温冻存对兔关节软骨的影响。方法:自2月龄新西兰白兔膝关节股骨膑面取骨软骨移植物,随机分为3组:实验组在软骨面以3mm×3mm矩阵打孔,梯度降温冷冻保存。以非打孔经梯度降温冷冻保存组、非打孔超低温冷冻保存组为对照。复温后移植到成年新西兰白兔相应膝关节缺损部位,观察各组移植物大体形态学、组织化学、免疫组织化学染色效果的差别。结果与结论:实验组、非打孔经梯度降温冷冻保存组大体形态学、组织化学、免疫组织化学染色效果均明显优于非打孔超低温冷冻保存组。实验组与非打孔经梯度降温冷冻保存组效果差别不明显,但实验组明显加强了对中间层软骨组织的保护程度。提示关节软骨的梯度降温冷冻保存效果优于快速降温冷冻保存;关节软骨打孔冷冻保存对深层细胞有一定的保护作用,提高了软骨细胞存活率,延缓了移植软骨组织的退变过程。     

螺旋CT资料建立颅面三维模型(英文)

背景:三维螺旋CT可以在胶片或计算机屏幕上展示多角度的立体图像,但复杂的三维解剖形态很难在二维的胶片或计算机屏幕上直观显示,颅颌面外科的手术模拟和方案设计往往更需要三维实体模型。目的:用螺旋CT数据资料建立颅面三维模型,探讨该模型在颅颌面外科领域的应用。方法:患者行螺旋CT扫描,层厚2mm,螺距1.0mm,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图象处理软件对已下载的二维图象进行过滤、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。进一步在该模型上按镜像关系重构衬垫物的三维模型。结果与结论:实验得到了颅面骨骼表面轮廓的三维实体模型,并在其上进行了整形手术的计算机辅助设计,通过快速成型技术加工出衬垫物模板。用螺旋CT数据资料可以建立颅面三维模型,该模型在颅颌面畸形损伤肿瘤等的诊断和治疗中将发挥重要作用。     

基于UG6.0NX NASTRAN人工仿生膝关节应力分析

本文主要介绍了有限元分析方法在生物力学中的应用的基本原理,重点介绍了各种有限元分析软件的基本原理及各自的特点,介绍了UGNX6.0NASTRAN分析人工膝关节的应力分析的基本过程:类型的选择、材料定义、常数的设定、有限元网格的划分、有限元结果的分析。对所设计的个性化人工膝关节进行了有限元具体分析和评价,验证了其几何设计结构的合理性。     

前交叉韧带损伤膝关节侧副韧带长度的变化(英文)

背景:侧副韧带对膝关节的稳定性起着重要的作用,通过2D/3D图像配准技术可以实现膝关节的运动还原并获得前交叉韧带损伤后生理屈曲过程中内侧副韧带和外侧副韧带长度变化规律。目的:对前交叉韧带损伤膝关节侧副韧带长度变化进行运动还原体内稳定性研究。方法:选择单侧膝关节前交叉韧带断裂而对侧正常的8例患者,在生理负重屈曲采集0°,15°,30°,60°和90°时的相互垂直的2D图像,与CT(3D)图像在虚拟X射线投射系统进行2D/3D图像配准,还原膝关节不同角度时的股骨和胫骨相对3D位置关系,并通过韧带止点还原的方法对内侧副韧带、外侧副韧带进行韧带长度分析,并对比两侧。结果与结论:内侧副韧带损伤后在0°,15°和30°患膝内侧副韧带长度较健膝增加;内侧副韧带损伤后在0°、15°和30°患膝外侧副韧带长度较健膝减少,差异均有显著性意义(P0.05)。结果提示,在0°、15°和30°,前交叉韧带损伤后患膝内侧副韧带长度较健膝增加,而外侧副韧带长度较健膝缩短。     

基于逆向工程和快速成型技术的髋骨三维实体模型个性化重建

背景：髋骨解剖结构复杂,传统的X射线片及CT扫描等二维影像检查易受到影像重叠、软组织等的干扰,在髋骨的诊断中具有一定的局限性。通过基于逆向工程技术的数字化建模能全面、直观、精确地显示髋骨立体形态和各部位解剖结构的空间关系,在骨骼研究中有着广阔的应用前景。 目的：利用计算机辅助技术重建个性化的髋骨三维实体模型。 方法：使用手持式三维激光扫描仪对人体髋骨表面进行扫描,得到大量点云数据,综合使用工程软件Geomagic和计算机辅助软件CimatronE对点云进行处理并实现三维模型重建,使用快速成型机完成髋骨的3D打印,得到几何形状一致的髋骨实体模型。 结果与结论：通过基于逆向工程和快速成型技术的数字化建模方法,可得到具有良好几何相似性及生物力学特性的髋骨三维实体模型,可为人工仿生髋骨的数字化制造、虚拟装配、应力分析及模拟手术等提供精确的模型基础。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     

基于健侧三维数字解剖的桡骨头假体逆向工程研究

目的 探讨基于健侧三维数字解剖结构逆向工程个体化计算机辅助设计桡骨头假体的方法以提供临床精确置换。 方法 采用GE Speed Light 16排螺旋CT薄层扫描健康成人1例双侧肘关节,排除桡骨头疾患,获取CT扫描dicom数据导入Mimics10.0软件三维重建肘关节。提取左健侧桡骨近端三维模型经镜像模拟右患侧桡骨近端,再经编辑处理分割为头颈两部分。利用Mimics10.0软件测量颈段髓内径、长度参数构建假体柄。桡骨头模型导入Geomagic studio 12软件模拟软骨加厚处理,导入假体柄模型生成头柄部实体。按解剖特点虚拟组装头柄部件,实现患侧桡骨头假体的逆向工程。 结果 依据健侧肘关节CT影像数据,利用Mimics和Geomagic studio软件,进行三维重建,编辑,测量和反求,可实现个体化桡骨头假体设计和头柄部件的虚拟组装成型。 结论 基于健侧桡骨数字解剖的逆向工程为个体化桡骨头假体的研制提供了一个有效的方法。     

基于CT及逆向工程软件构建正常人体骨盆三维有限元模型

背景:骨盆是人体骨骼中形态及结构最复杂的部分,许多学者一直致力于其生物力学的研究。由于骨盆形状极其不规则,所附着肌肉及韧带解剖结构复杂,建立精确的包含主要肌肉及人韧带的骨盆有限元模型十分困难。目的:建立正常成年人骨盆的三维有限元模型,为后续骨盆的生物力学分析提供数字模型。方法:采集健康成年男性志愿者的骨盆CT数据,将DICOM格式的CT图像导入医学影像三维重建软件Mimics10.0进行图像的分割及三维重建,将导出文件导入逆向工程软件Geomagic studio 11中对图像进行曲面化处理,建立曲面模型,使其更加光顺,将生成的曲面模型导入有限元分析软件Ansys 14.0中进行有限元网格划分。结果与结论:建立了正常成年人骨盆的三维有限元模型,总单元数为818 294个,总节点数为149 290个。课题基于健康成年男性志愿者的骨盆CT图像建立骨盆有限元模型,所得的模型精确度高、逼真、具有良好的解剖及几何相似性,可为下一步骨盆的生物力学分析提供基础。     

消息报道(英文)

Journalof Medical Engineering ＆ Technology An international bi-monthly journal promoting the application ofengineering and technology in medical research and clinical medicine     

基于膝关节三维模型的髌股关节动力学特性研究

目的构建有效的膝关节三维模型以计算髌股关节动力学参数。方法基于CT图像处理和CAD技术, 重建包括股骨下端、胫骨上端及髌骨的膝关节的骨骼三维模型,并定义髌股关节运动起重要作用的股四头肌直线模型、韧带及其它软组织的非线性弹性纤维束模型,以股四头肌肉力为输入控制变量。结果构造出一个有效的膝关节三维模型。结论该模型可以有效的计算髌股关节动力学参数。     

基于Mimics软件虚拟人膝关节三维图像融合实验

背景：国内外已有学者利用不同的方法对人体膝关节进行三维建模,根据各自研究侧重点不同,在方法和最终效果上各有不同。 目的：根据不同模态中膝关节影像的特点,将膝关节建模结果进行配准、融合,为进一步生物力学研究提供一种方便的方法。 方法：采用Mimics V 10.0软件根据膝关节在CT和MR断层图像的特点,选择不同分割算法进行膝关节解剖组织分割,并对不同的分割图像进行三维重建。 结果与结论：基于逆向工程原理,利用虚拟人膝关节连续CT断面图像分别重建出膝关节的骨性结构如股骨、胫骨、腓骨、髌骨;并利用膝关节的连续MRI断面图像重建出半月板、髌韧带、内侧副韧带、前交叉韧带、后交叉韧带等结构,并成功对上述结构进行融合,融合后的三维膝关节模型可以任意角度或单独观察,并可以进行体视学测量。说明通过不同模态图像融合的方法可以建立膝关节的三维模型,为计算机辅助膝关节损伤康复研究奠定基础。     

基于统计形状模型的三维足形状建模

目的 构建足的三维统计形状模型(statistical shape model,SSM),揭示足形状的三维变化特征.方法 50名中国青年男性正常足数据用于三维统计形状建模,通过足面网格配准、点对齐及主成分(principal component,PC)降维分析等步骤,获得平均足形态及在各PC维度标准差等参数化的足形态....     

基于腹部CT图像的肝脏三维建模研究

针对临床手术预演过程中基于腹部CT图像的肝脏三维建模需要手动修改,耗时巨大,且精度无法保证等问题,分析了传统建模方法的不足,结合灰度分离算法利用处理后的肝脏特征序列进行三维重建的系统,借助于Matlab提取并生成肝脏特征序列,导入Mimics后无需进行阈值分割和手动修改,选择所有灰度值不为0的区域即可直接计算出三维模型,可将三维模型打印出肝脏实体,从而解决了肝脏三维建模的效率和精度等问题。最后,以两位病人的腹部CT图像进行试验,均成功提取了肝脏边缘特征并建立了肝脏三维模型。     

基于AnyBody~(TM)技术的人体运动建模方法

人体运动的建模与仿真是当今运动生物力学研究的一个热点。利用数值模型研究人体的运动规律,是人体运动研究的一个重要手段和有效工具。其关键技术在于应用逆向运动学方法求解人体运动,并获取人体运动中各个肌肉力学上技术参数。文中主要探讨基于AnyBody~(TM) System软件人体运动仿真的建模方法来研究人体运动力学规律,结合The Any-Body~(TM)system对人体运动具体应用,说明The AnyBody~(TM) system技术在人体运动仿真领域的优势。     

骨质量对种植牵张初期稳定性影响的三维有限元分析(英文)

背景:种植体型牙槽嵴牵张器的初期稳定性取决于骨-牵张器界面适当的应力分布,了解植入初期的生物力学改变有助于提高种植体型牙槽嵴牵张器的临床成功率。目的:通过有限元法了解骨质结构对牵张初期应力分布和牵张器、骨段变形情况的影响。方法:利用CAD软件绘制由输送段和基段组成的牵张器模型(长11mm,直径3.7~4.1mm),同一软件绘制4个下颌骨节段模型模拟4类不同骨质的下颌骨。装配后导入ANSYS软件形成由10079~11456单元和17299~20101节点构成的有限元模型,利用该系列有限元模型分析松质骨、密质骨的应力改变和输送骨段、牵张器的变形情况。结果与结论:最大应力均出现在输送骨段,随骨质量下降而增大;骨最大变形出现在输送段边缘,随着骨质量下降而增大;牵张器的下沉也随着骨质量的下降而增大。结果表明随着骨质量的下降,最大应力与变形均明显增大。骨弹性模量的下降将增大牵张成骨失败的风险。