CAD/CAM/Robotic集成方法设计与制作生物型股骨柄假体

背景:生物型股骨柄假体无菌松动是全髋关节置换失败的主要因素,减少无菌松动的先决条件是增加股骨柄假体在股骨髓腔中的填充率。目的:得到定制式股骨柄假体在髓腔中的填充率,验证计算机辅助设计/计算机辅助制造/工业机器人加工(CAD/CAM/Robotic)集成方法和机器人磨削的有效性。方法:利用CT数据重建股骨髓腔三维模型,在此三维模型基础上设计股骨柄假体的柄体,依据标准直柄股骨柄假体近端模型设计股骨柄假体的其余部分。将设计的股骨柄假体模型导入CAD/CAM/Robotic集成系统生成机器人磨削轨迹,利用该轨迹对股骨柄假体进行磨削加工。将加工好的股骨柄假体与股骨髓腔匹配,分析股骨柄假体在髓腔中的填充率。结果与结论:实验结果表明,定制式股骨柄假体在髓腔中有良好的填充率,髓腔的解剖结构可以阻止股骨柄假体的扭转,获得股骨柄假体在髓腔中的稳定固定。     

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。     

基于CT三维重建个性化设计猪股骨髋关节假体与骨髓腔接触率的定量研究

目的基于CT三维重建个性化设计猪股骨髋关节假体与骨髓腔接触率的定量研究。方法选择猪股骨,拍摄实验前正侧位,双斜位片,再运用CT进行横断面扫描,获得CT数据后三维重建。基于CT三维重建数据,运用机器人磨削个性化假体,使其成为与髓腔完全匹配的定制假体。匹配后,拍摄实验后正侧位片,计算定制假体与髓腔接触的骨皮质或者骨松质的表面积以及接触率。结果通过计算,个性化假体近端表面与骨髓腔直接接触率为90.8%,与医疗机器人辅助扩髓组获得的假体表面与骨髓腔直接接触率相近,远较传统手工扩髓组获得的假体近端表面与骨髓腔直接接触率高。结论基于CT三维重建个性化股骨假体与猪股骨髓腔初始固定直接接触率为90.8%,可获得良好的接触率。     

基于X线片定制股骨柄假体的设计原理及方法

目的 介绍自编的基于X线片设计定制型股骨柄假体程序系统的设计原理及功能模块。方法 利用图像处理方法提取X线片上一些患者股骨解剖特征点（如小粗隆最高点、股骨头中心及转子间窝等）、2个规划的手术截骨位置点（大粗隆侧截骨边界位置点及截骨线最低点位置点）以及一些设计用关键位置点（如假体远端位置、假体颈干连接段最高点位置等）,以此预测患者股骨近端髓腔,并通过输入设计参数值（如颈干角、前倾角、预留的松质骨厚度、假体匹配段截面圆弧半径及假体过渡段高度等）设计出定制型股骨柄假体。并对设计出的定制股骨柄假体进行匹配区域多个截面的二维截面验证和三维的总体验证。结果 根据验证情况,调整设计参数重新生成股骨柄假体模型点云数据,使设计出的股骨柄假体与患者股骨腔相匹配,达到定制型假体设计要求。结论 介绍的程序系统可用于为患者设计定制型股骨柄假体,设计周期较短,成本较低,有利于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。     

髋关节置换手术定制型髓腔锉的设计与加工

目的 介绍定制型髓腔锉的设计与加工方法。方法 根据相应的定制型股骨柄假体的三维模型设计髓腔锉,在计算机辅助设计（CAD）软件中,通过截除、拉伸及偏移面等操作构建出髓腔锉三维模型。采用计算机辅助制造（CAM）技术加工出定制型髓腔锉。采用本研究的CAD及CAM方法,分别为实验及临床试用设计加工了定制型髓腔锉。结果 实验及临床试用的定制型髓腔锉被用于切削相应的尸体股骨腔及患者股骨腔,植入定制型假体以后,通过分析发现假体与股骨腔匹配较好。结论 采用该研究方法设计加工定制型髓腔锉,将能够提高植入定制型股骨柄假体的成功率,将减少定制型股骨柄假体在患者股骨腔中松动的风险,能够促进股骨松质骨长入假体表面来固定假体。     

基于标准X线片的定制型股骨柄的设计与加工

目的研究基于标准X线片的定制型股骨柄设计与加工的方法。方法开发设计假体的软件，其中包括X线片的扫描，股骨腔的获得，假体设计，匹配程度分析，以及绘制二维加工图。利用CAM技术，可以加工设计出所需要的假体。结果在普通机床上加工出股骨柄假体，临床反映股骨柄假体与患者股骨骨髓腔匹配较好。结论临床结果以及理论分析均表明本文介绍的设计与加工股骨柄假体的方法切实可行。     

股骨近端假体周围骨折锁定加压接骨板的设计

目的 探索适用于国人全髋关节置换术(THA)术后股骨近端假体周围骨折(PPFF)内固定的锁定加压接骨板(LCP)的设计。方法 (1)回顾性分析2012年9月—2013年12月南京中医药大学附属常州市中医医院骨科收治首次行THA治疗的90例患者的影像学资料。在90例患者术后髋关节侧位X线片上测量股骨假体近端1/2假体柄后边缘与股骨后方外皮质、远端1/2股骨假体柄前边缘与股骨前方外皮质的最小和最大垂直距离。(2)选取20具股骨标本,测量股骨标本长度和周径。将20具股骨标本植入股骨假体,建立股骨假体模型;对其中5具标本模型进行宝石能谱CT扫描和三维重建,测量股骨假体近端1/2假体柄后边缘与后方股骨外皮质、远端1/2假体柄前边缘与前方股骨外皮质间垂直距离,测量股骨假体近端1/2和远端1/2垂直距离＞6 mm的股骨长度,测量股骨中段侧方的弧度。(3)依据90例患者和5具股骨假体模型的测量数据设计并数字化定制LCP。采用定制LCP固定5具股骨假体模型,通过大体和影像学观察LCP近段锁定螺钉与假体的关系,调整可能与假体接触的锁定螺钉的角度;再采用调整后的LCP固定10具股骨假体模型,观察LCP近段锁定螺钉与假体的关系,确定LCP的设计方案。结果 (1)90例患者术后髋关节侧位X线片测量结果:股骨假体近端1/2假体柄后边缘与股骨后方外皮质的垂直距离,最小(11.26±3.58)mm,最大(17.97±6.94)mm;远端1/2假体柄前边缘与股骨前方外皮质之间的垂直距离,最小(9.18±2.32)mm,最大(14.22±3.10)mm。(2)20具股骨标本的股骨长度为(41.67±0.24)cm,周径为(9.19±0.74)cm。股骨假体模型CT测量结果:假体近端1/2假体柄后边缘与股骨后方外皮质的垂直距离为(12.36±3.24 )mm;假体远端1/2假体柄前边缘和股骨前方外皮质的垂直距离为(8.14±1.21)mm。假体近、远端1/2与股骨外皮质垂直距离＞6 mm的股骨长度分别为(69.20±4.53)mm 和(57.31±3.82)mm。(3)LCP设计方案:LCP与假体近端1/2对应的部分设计3枚向后内成一定角度的锁定螺钉,对应3个锁定孔,分布于LCP中轴线偏后,向后内方向;与假体远端1/2对应的部分设计3枚向前内成一定角度的锁定螺钉,对应的3个锁定孔,分布于LCP中轴线偏前,向前内方向。采用设计、定制LCP固定股骨假体模型,LCP与股骨侧方弧度一致,锁定螺钉在股骨假体的后方或前方均实现双层皮质固定,角度合适。结论 根据国人资料设计、定制LCP,在股骨假体模型上获得有效的固定空间,为THA后PPFF的处理提供可行方案,但临床应用效果有待进一步验证。     

基于X线片与模板的股骨柄假体生物力学评价

目的对4组与股骨匹配的股骨柄假体进行生物力学的评价,寻找与正常股骨上力学分布最为接近的股骨柄假体。方法在Matlab中导入股骨近端X线正位片及4组股骨-股骨柄假体模板的bmp格式的图像文件,分别提取股骨、带假体模板的股骨二维轮廓数据,利用ANSYS软件建立股骨、股骨-股骨柄几何模型及二维非线性有限元模型,负荷加载后对股骨近端的应力分布进行分析、比较。结果假体置入后股骨上的力学分布与正常股骨有较大的差异,但在4组股骨柄假体中,终有一种假体其在股骨上应力大小及分布情况与正常股骨最为接近,而这种假体相对于此股骨来说其生物力学性能为最优。结论通过基于X线片与模板的股骨柄假体生物力学的分析比较,可对股骨柄假体的生物力学性能作出评价,为假体的优化选择提供依据。     

定制型人工髋假体研究应用

假体松动是目前导致人工髋部假体置换术失败的主要原因。人类股骨上段骨髓腔大小形状差异显著,以致通常设计的髋假体柄在多数情况下不能与骨髓腔形成解剖匹配,接触面小,假体-骨界面应力分布不合理,显著影响假体-骨结合面的稳定性。近几年,按人配制的定制型人工髋假体的研究应用已受到重视。本文介绍发展定制型人工髋假体的依据、定制型人工髋假体的设计研究与临床应用以及定制型假体尚有待解决的问题。     

骨质疏松时股骨上段髓腔形态学特点及其临床意义

目的:探讨骨质疏松时股骨上段髓腔的形态学变化,为老年人工髋关节置换术提供依据。方法:160根股骨,每个标本分别拍照正位、侧位、45°内斜位和45°外斜位的X线片,记录Singh指数,测量股骨上段髓腔,研究Singh指数和股骨上段髓腔的关系。结果:Singh指数为7￣5的62个标本中髓腔扩大者6.5%(4),不扩大者93.5%(58);Singh指数为4￣1的95个标本中髓腔扩大者67.4%(64),不扩大者32.6%(31);Singh指数越大,股骨上段髓腔越窄,Singh指数越小,股骨上段髓腔越宽大;骨质疏松时股骨髓腔扩大是全方位的,其骨皮质吸收以髓腔内面明显。结论:(1)骨质疏松标本髓腔扩大峡部不明显,假体设计要考虑到峡部不明显时如何使股骨柄远端与股骨骨髓腔形态相匹配,对老年人可将柄下端适当加粗,以适应髓腔变化。(2)对骨质疏松老年人,选择假体前要拍照股骨全长的正、侧位及双斜位X线片,对髓腔形态有较全面的评估,以选择适合的假体。     

模拟全髋关节置换后股骨假体的稳定性

背景：国内外关于髋关节置换后股骨的压缩力学实验研究较多,因此研究髋关节置换后股骨的扭矩、扭转角、载荷-位移关系非常重要。对比分析传统型假体和解剖型假体的压缩、扭转力学特性,对于髋关节置换及人工假体的稳定性研究具有重要意义。 目的：通过模拟髋关节置换后股骨的轴向压缩和扭转实验,对比分析传统型和解剖型人工假体的稳定性,为临床提供生物力学参数。 方法：取股骨左右侧标本共12个,其中左侧6个标本保留股骨颈作为解剖型钛合金人工关节假体组,右侧6个标本去除股骨颈作为传统型钴铬钼人工关节假体组。分别将两组标本置于电子万能试验机工作台上,以     5 mm/min的实验速度对标本施加压应力,读取20,40,60,80,100 N时所对应的位移值。之后取两组标本,将标本两端置于扭转试验机夹头内,以1 (°)/s的实验速度对标本施加扭矩,读取5,10,15,20 N•m扭矩时所对应的扭转角值。 结果与结论：在100 N外力作用下,传统型假体位移为(2.03±0.06) mm,解剖型假体位移为(1.83±0.05) mm;在20 N•m扭矩作用下,传统型假体扭转角为(21.7±0.7)°,解剖型假体扭转角为(13.2±0.4)°。解剖型假体在100 N作用下的位移和在20 N•m扭矩作用下的扭转角均小于传统型假体组,差异有显著性意义(P < 0.05)。提示解剖型假体和传统型假体具有不同的压缩和扭转力学特性,解剖型假体置入股骨后具有较好的稳定性。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     

锁定加压接骨板固定股骨近端假体周围骨折的生物力学分析

目的评价锁定加压接骨板(locking compression plate,LCP)固定股骨近端假体周围骨折(periprosthetic proximal femur fracture,PPFF)的生物力学强度。方法采用LCP和倒置股骨远端微创锁定接骨板(less invasive stabilization system,LISS)分别固定8对左、右配对的Vancouver B1型成人尸体PPFF标本,假体柄对应长度的股骨分别采用4枚双层皮质锁定螺钉固定(LCP组)和4枚单层皮质锁定螺钉固定(LISS组),骨折远端均采用4枚双层皮质锁定螺钉固定,两种接骨板使用锁定螺钉的螺孔距骨折端的距离相等。通过4点弯曲试验和扭转试验,对比分析两组的最大弯曲载荷、最大弯曲位移、抗弯刚度、最大扭矩、最大扭转角度和抗扭转刚度。结果 LCP组最大弯曲载荷、最大弯曲位移和抗弯刚度均大于LISS组,但差异无统计学意义(P>0.05)。LCP组最大扭矩、最大扭转角度和抗扭转刚度均大于LISS组,差异具有统计学意义(P<0.05)。结论 LCP抗扭转刚度明显优于LISS,对PPFF固定的力学稳定性更好。     

Three-Dimensional Morphological Analysis of Sex,Age, and Symmetry of Proximal Femurs from Computed Tomography: Application to Total Hip Arthroplasty

The success of a total hip arthroplasty is directly related to the ability of the implant to match original femoral morphology. Given this critical relationship, we characterized normal proximal femoral morphology as it relates to sex, age, and symmetry. Sixty abdominopelvic computed tomography (CT) scans (30 male and 30 female, ages 20–85 years old) from patients without any osseous pathology or implants were utilized. Three-dimensional models were constructed from the CT scans using Mimics v19 (Materialize). Thirteen landmarks were placed on each femur model and yielded eight morphological measurements for each femur. Medullary cavity measurements were taken superior to, at the center of, and inferior to the lesser trochanter. Morphological measurements were analyzed by sex, age group, and left versus right. A significant difference was identified between males and females for femoral head height, inferior neck length, minimum neck diameter, neck shaft angle, mediolateral medullary cavity measurement superior to the lesser trochanter and the anteroposterior at the lesser trochanter (P < 0.05). Age was found to correlate with medullary cavity measurements. As previously identified in the literature, differences with respect to the right and left femur were not of practical significance. The results show that sex is critical in determining prosthesis fit with the examined morphological measurements of the proximal femur while age is more important with respect to the medullary cavity. It is also evident that the current practice of using one femur to approximate the opposite is a viable clinical assumption. Clin. Anat., 33:731–738, 2020. © 2019 Wiley Periodicals, Inc.     

人工髋关节活体有限元建模及力学分析

背景：有限元分析最为广泛地应用于人工髋关节置换的研究,能够反映人工髋关节置换前后的应力分布情况。 目的：通过CT扫描图像建立人工髋关节置换后的三维有限元模型,分析假体和股骨的力学分布,提供研究活体内假体的评估方法。 方法：选非水泥型人工髋关节假体置换后患者1例,64排CT扫描髋关节,通过三维建模软件建立三维有限元模型,加载载荷1 500 N,分析假体和股骨的应力分布,并与体外建模和正常股骨有限元模型比较。 结果与结论：应用患者人工髋关节置换后CT扫描图像建立的三维有限元模型,加载后应力主要分布在股骨干上端1/3处,在股骨假体柄颈结合处,假体外侧,假体的远端与股骨接触处,是假体置换后应力在体内传递的真实反映。结果说明活体髋关节建模优于体外建模,不改变假体在体内的位置,人工髋关节活体建模是假体评估新方法。     

Disassembly of threaded junction between stem extension and femoral component in a total stabilizer revision total knee arthroplasty

We report an unusual case of disassembly of threaded junction between stem extension and femoral component in a 6-year-old total stabilizer revision total knee arthroplasty. Aseptic loosening of femur component will tend to cause increased stresses at the stem–condylar junction of a modular femoral prosthesis, especially if femur component is flexed. The modular junction may therefore be unable to withstand the concentrated force and lead to disassembly.     

股骨骨髓腔的应用解剖

本文测量了30块成人股骨的长度,骨髓腔长度及内径。骨髓腔的长度为28.86±2.79cm,其最狭窄部位在股骨中段,最小径为9.86±1.20mm。股骨长度与骨髓腔长度明显相关(P(0.001),回归方程为Y=-4.0543+0.8516X,为骨外科髓内钉术提供应用解剖学数据。     

The influence of design parameters on cortical strain distribution of a cementless titanium femoral stem

The strain distribution imposed on a femur following a total joint replacement is an important factor, in proximal bone loss due to stress shielding, and long term clinical success. This study investigated how five different design parameters of a cementless titanium femoral prosthesis influenced cortical strains. Test loads were applied and strains were measured with and without an abductor force simulation, using six human cadaveric femora. The cementless design used demonstrated significant calcar loading proximally and a similar strain distribution to the intact femur distally. Implant gross geometry was the major factor in determining the cortical strain distributions under abductor simulation in both axial and torsional loading.     

股骨近段CT扫描与全髋关节置换的术前计划

背景：做好全髋关节置换前假体型号预测的前提是对股骨近段的充分了解和精确测量,但X射线片仅提供一个平面图像,不能了解股骨近段横断面的情况,而股骨上段CT扫描可以提供更多信息。 目的：观察股骨近段CT扫描在全髋关节置换前计划中的作用。 方法：对61例进行初次全髋关节置换的患者行股骨近端CT扫描,选取股骨小转子最突出处上方2 cm股骨颈平面(T20)、股骨小转子最突出点处的股骨转子区平面(T0)和股骨干髓腔最狭窄处平面(N)的横断面CT影像。测量股骨颈平面髓腔长径、宽径、内侧径;小转子平面髓腔长径、内侧径;股骨峡部平面髓腔长径、宽径、皮质厚度。 结果与结论：股骨颈T20长径40.8~63.3 mm,平均(49.6±5.1) mm;T20宽径13.3~29.1 mm,平均(22.4±3.4) mm;T20内侧径7.2~14.6 mm,平均(10.6±1.6) mm。股骨转子区T0长径20.5~40.2 mm,平均(28.7±4.4) mm;T0内侧径4.3~13.0 mm,平均(8.1±1.7) mm。股骨峡部N长径8.2~22.4 mm,平均(14.1±3.1) mm;N宽径6.1~17.9 mm,平均(10.2±2.9) mm;N皮质厚度2.7~12.7 mm,平均(7.5±1.8) mm。提示股骨近端CT扫描可以提供更多的影像信息和更精确的测量数据,对全髋关节置换前计划有所帮助。