基于逆向工程/正向设计的三维重建金属对金属全髋表面置换假体

背景：全髋关节表面置换在进行假体装配中,需要与实体绝对匹配的3D模型。 目的：通过逆向工程/逆向设计技术三维重建金属对金属全髋表面置换假体。 方法：基于三维激光扫描仪所得假体的点云文件,Geomagic软件和3ds max软件再分别进行点云拼接、3D还原、特征提取从而得到全髋表面置换假体的三维可视化结构。 结果与结论：逆向工程/正向设计技术能还原假体的三维形态,可真实再现髋臼假体和股骨假体的结构。提示根据逆向工程/正向设计软件系统能准确重建金属对金属全髋表面置换假体。     

Mimics软件三维重建全骨盆几何模型模拟骨盆肿瘤切除假体置换*

背景：CT扫描所得DICOM数据在Mimics软件中的运用是目前国际上公认的计算机辅助手术的“金标准”。 目地：探索一条可行的计算机辅助手术途径。 方法：将骨盆肿瘤病例CT扫描图像数据导入Mimics10.01软件,三维重建包含髂血管的全骨盆几何模型,并按Enneking and Dunhan提出的标准分型,该病例为TypeⅡ型。利用mimics软件的三维重建全骨盆几何模型的各项数据进行术前测量,设计肿瘤切除范围,并进行模拟肿瘤切除假体置换。 结果与结论：利用mimics软件重建的全骨盆三维几何模型可准确反映骨盆的三维立体结构和预测肿瘤的大小,并可进行任意旋转观察,精确测量出相关的各项指标。为定制假体提供有意义的参考数据,有效实现了骨盆肿瘤广泛切除特制假体置换术的模拟。结果提示Mimics软件重建的包含髂血管的全骨盆几何模型可立体直观显示骨盆内部解剖结构并明确肿瘤分型。Mimics可以为术前设计和手术模拟提供快捷、便利、精确、可重复运用的模型。     

计算机辅助设计在髋臼恶性肿瘤治疗中的应用：1例报告

背景：髋臼恶性肿瘤切除重建的主要目的是在安全边缘切除肿瘤并最大限度获得骨盆稳定及下肢行走的功能。既往多是通过MRI、CT、X射线片等二维资料评估切除范围,具有相当的主观性,缺乏术前设计。计算机三维重建可从整体及各个切面评估肿瘤侵蚀范围,从而做到精确确定肿瘤切除的范围。 目的：评估计算机辅助设计在髋臼恶性肿瘤治疗中的应用价值。 方法：1例髋臼血管肉瘤患者,应用薄层CT扫描获取病变部位的二维数据,计算机三维重建解剖学模型,设计截骨范围、个体化髋臼假体及模拟手术过程。按照计算机辅助设计方案切除髋臼肿瘤组织,采用异体半骨盆+个体化全髋关节置换重建骨盆环及右髋关节。 结果与结论：异体半骨盆+个体化全髋关节置换后2个月患者开始扶拐患肢不负重行走,6个月患者行走步态基本正常,右髋关节活动良好,无疼痛不适。置换后X射线片提示人工假体与骨盆匹配良好。置换后仅右髋关节外侧有少许皮肤麻木,无深静脉血栓、假体脱位、松动等并发症。提示计算机辅助设计在髋臼周围肿瘤的治疗中有着广阔应用前景,它使手术治疗提升到个体化治疗阶段,使手术更精确、更可靠、更方便,效果更佳。     

表面髋关节置换三维有限元模型的建立及意义*

背景：目前髋关节的三维有限元模型大都是基于人体尸骨数据或通过CAD重建获得的,其效果不够理想。 目的：通过64排螺旋CT扫描提供数据,建立表面髋关节置换的三维有限元模型,拟为生物力学实验提供标准数学模型。 方法：选择1名行表面髋关节置换后的成年男性志愿者,经X射线检查排除健侧髋关节疾患。螺旋CT扫描表面髋关节置换后患者所得数据导入Mimics软件。采用域值法建立三维立体模型,之后导入Abaqus软件,进行网格划分。建立起表面髋关节置换术后的三维有限元模型。 结果与结论：建立了表面髋关节置换术后三维几何和有限元模型。表面髋关节置换模型分为三维六面体单元165 886个,节点213 343个。可见,通过Mimics软件、Abaqus软件可以利用表面髋关节置换术后患者薄层断面图像构建出其三维几何模型与三维有限元模型。该模型具有较高的形态学及力学仿真度。     

三维重建仿真模拟手术辅助颈椎间盘置换

背景：人工颈椎间盘置换要求具有规范的操作程序,这样才能减少置入假体下沉、异位骨化、假体脱位等并发症。个体化的颈椎三维模型重建模型能够模拟自身颈椎间盘的真实结构,有利于人工颈椎间盘置换过程的精准操作。 目的：分析颈椎间盘置换手术模拟的方法及临床应用。 方法：选择42岁男性患者资料,颈椎间突出症(C4/5)脊髓型,颈椎间盘置换前行颈椎64排CT平扫,进行三维几何重建,测量C4/5间盘间隙,C5上终板,C4下终板尺寸,并适当撑开椎间隙,选择合适的假体尺寸,在scanCAD软件中模拟手术,安装假体,并再次修改假体尺寸,应用于临床。 结果与结论：利用计算机模拟手术预计假体,模拟手术过程,可以有效减少置换时间,方便假体置换操作,置换过程中获得满意的临床疗效。提示三维重建仿真模拟手术能准确测量置入假体,数据真实可靠,或得满意疗效。 关键词：颈椎病;计算机;三维重建;人工颈椎间盘置换;假体     

组配式人工半骨盆假体重建后耻骨板断裂的非线性有限元分析

背景：目前有限元法应用于骨科相关生物力学分析主要是静态载荷下的研究,评价系统应力峰值及全场应力分布情况。但由于疲劳计算和体内力学环境复杂,很难明确临床相关的生物力学问题。 目的：利用步行周期动态载荷分析组配式半骨盆假体重建髋臼缺损后耻骨板断裂的生物力学基础。 方法：通过骨盆环三维有限元模型模拟骨盆Ⅱ+Ⅲ区肿瘤切除后骨缺损,并通过CAD软件绘制的半骨盆假体模型进行重建。重建后的三维有限元模型通过Abaqus 6.7有限元分析软件分别计算重建骨盆在站立位及步行周期下耻骨板的应力分布情况,明确应力集中位置及耻骨板应力峰值。 结果与结论：有限元计算结果收敛,站立位时耻骨板应力峰值为3.5 MPa,应力集中点位于耻骨板近中点处;步行周期下耻骨板的应力峰值为273.0 MPa,应力集中点位于耻骨板与人工髋臼连接处,与临床观察到断裂的部位一致。提示组配式半骨盆假体耻骨板断裂的原因主要是由于步行周期载荷下耻骨板应力集中部位引起的高周疲劳断裂。     

中国人脑MRI立体定向活体尾状核数字化的三维重建

依据1例38岁成年男性健康志愿者的MRI立体定向尾状核资料建立个体化数字化图谱。在以AC-PC线为基准线的标准脑立体定向空间对志愿者做1 mm层厚,间距0 mm的MR轴位和冠状的脑扫描,利用哈尔滨工业大学生物研究中心研究开发的软件系统对经MRI扫描后转存的尾状核图像进行三维重建,软件提取分割的尾状核轮廓后执行重建命令。三维重建的尾状核表面光滑、形态逼真,首次清晰地显示了健康国人活体尾状核在大脑标准立体定向空间中的位置,可直观显示,并能从任意角度浏览尾状核的形态。提示基于MRI资料的个体人脑结构数字化、可视化的三维重建具有可行性。     

基于CVH的基底神经核区三维重建和虚拟现实研究

目的 应用计算机三维重建和虚拟现实研究．显示基底神经核区和结构的立体形态、空间位置和毗邻关系。方法抽取中国数字化可视人体数据集中含有基底神经核和周围结构的断面图像,分别应用Medview软件和VRman软件,对基底核区的尾状核、壳核、苍白球、丘脑的内部核、丘脑底核、杏仁核及其周围结构中的视神经、红核、黑质和脑室等进行计算机三维重建和虚拟现实显示。结果应用Medview软件重建的三维图像比较清楚地显示了基底神经核诸核及其周围结构的空间形态和毗邻关系,并能单独显示、任意搭配显示或总体显示;应用VRman软件进行的计算机虚拟现实显示,对于所构建的部位可以基本恢复到原始自然状态,可以对所构建的基底节区重新从冠状位、矢状位和水平位以及任意方位和角度的斜切进行连续断面切割．清晰显示其内部结构。结论基底神经核的三维重建和虚拟现实研究对于该区域疾病的影像学诊断和神经外科手术,尤其是对立体定向手术具有重要的意义。     

1000/基于PC机上颅脑CT二维图像的三维重建

目的: 在普通个人计算机上利用颅脑CT二维图像实现对颅骨的三维重建。方法: 利用正常人颅脑CT扫描数据集，采集二维图像数据，利用Amira软件对二维图像数据进行颅骨的图像分割、提取其轮廓线、三维可视化重建。结果：利用颅脑CT二维图像数据在普通计算机上得到了颅骨精细的三维模型。此模型能够多个视角显示和观察，并能单独显示某一分离的结构，同时可对其进行编辑和精确距离测量。结论：在普通计算机上应用软件进行三维重建可以获得颅骨精细的三维模型，解决了传统上只能依赖螺旋CT机进行三维重建的难题，为科研、教学及建立颅脑模型数据库提供方法和积累了资料，为三维重建技术在普通计算机上的广泛应用提供重要理论依据。     

髋关节置换股骨偏心距和下肢长度重建方法

背景：人工髋关节置换股骨偏心距和下肢长度的重建直接影响患者术后功能的恢复和假体的使用寿命,目前多采用术前模板测量来预测股骨假体的型号及置入位置,估计股骨颈的截骨水平,但是测量比较繁琐,欠精确。 目的：设计通过股骨头假体长度和股骨颈截骨平面的选择来重建股骨偏心距和下肢长度的计算方法。 设计、时间及地点：探索性实验,于2008-08/2009-02在单县中心医院完成。 对象：选择单县中心医院接受髋关节置换的22例股骨颈骨折和股骨头缺血坏死患者。 方法：术前测算健侧股骨偏心距E和髋关节旋转中心至小转子最高点的垂直距离D(下肢内旋15°)。设股骨假体偏心距为E′,垂降为H。设股骨颈截骨平面最下缘距小转子最高点的垂直距离为h,标准股骨头假体+0,其余为+L。股骨假体颈干角的补角为A。通过数学方法推导髋关节置换股骨偏心距和下肢长度重建股骨头长度及股骨颈截骨平面选择的计算公式。 主要观察指标：股骨偏心距、髋关节旋转中心至小转子最高点的垂直距离、股骨假体偏心距、股骨假体颈干角、股骨假体垂降。 结果：①E= E′+LsinA。②D=h+H+LcosA。 结论：成功推导出髋关节置换股骨偏心距和下肢长度重建股骨头长度及股骨颈截骨平面选择的计算公式,该公式简单准确。     

数字化人体大脑结构分割及三维重建

目的 建立人体大脑三维数字化可视模型，为脑外科手术计划的制定及在计算机上实现大脑精确模拟提供解剖学框架。方法 从中国数字化可视人体数据集中选取一男一女2套头部薄层连续横断面图像，对大脑主要结构进行半自动分割，并采用面绘制与体绘制相结合的方法进行三维重建。结果 获得一男一女2套大脑主要结构被精细分割的头部薄层断面数据集，对大脑灰质和白质、基底核团、脑室及海马等结构进行了三维重建。重建结构可多结构、多色彩模式显示，可在三维空间绕任意轴旋转，可对三维结构进行任意缩放及透明显示。结论 面绘制与体绘制相结合的重建方法克服了面绘制缺乏内部解剖信息，过于模式化的缺点，为三维重建提供了一种新的研究方法。重建的大脑及内部主要结构真实、逼真，再现了各结构的自然形态及在空间中的确切位置，提供了一个初步的大脑数字解剖学模型，也为自动分割算法的研究提供了精细的模板。     

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。     

基于CT增强连续扫描数据的颅面部血管三维重建数字化模型****

背景：通过三维重建技术,可以对人体的任何一个部位进行可视化观察,但国内外基于个人PC的颅面部血管三维重建研究报道尚少。 目的：探讨基于CT增强扫描数据重建颅面部血管三维数字化模型的方法及其应用价值。 方法：选择1例经CT增强连续扫描检查的健康志愿者数据集,以DICOM格式导入 Mimics10.01软件,运用阈值选取技术、手动编辑技术、三维区域增长技术对颅面部血管进行三维重建。 结果与结论：获得了颅面部血管的三维数字化模型。该模型可以进行任意缩放和任意角度旋转,可显示不同结构间的毗邻关系和空间构象,并可进行三维的距离、角度测量。提示在PC上应用Mimics软件可以方便快捷地建立颅面部血管的三维数字化模型,为人体解剖学教学、临床神经外科、口腔颌面外科和影像诊断学提供了形态学参考,并为后期的虚拟手术奠定了基础。     

人体颌骨三维模型重建及种植牙的仿真*☆

摘要：利用螺旋CT扫描技术获得的人体下颌骨扫描数据,通过与快速成型,UG/Imageware逆向工程等技术相结合,在计算机上重建一个可编辑的三维实体模型,在重建模型中分别进行体绘制、面绘制以及三维测量,并选取理想植入点,记录理想植入点坐标数据和定位点的坐标数据,并模拟牙种植手术,在UG中对其进行种植体数控仿真,将仿真结果经过坐标换算后,导入数控机床加工。在计算机上重建了一个可编辑的三维实体模型,它具有精确度高,可编辑等特点,并且可以直接用于实体的生物制造。提示结合CT三维重建技术与计算机辅助设计制造技术,让医生在术前对患者颌骨有全面的、三维方向的认识,方便医生确定手术方案,提高手术的成功率。     

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。     

Three-dimensional visualization of the functional fascicular groups of a long-segment peripheral nerve

The three-dimensional(3D) visualization of the functional bundles in the peripheral nerve provides direct and detailed intraneural spatial information. It is useful for selecting suitable surgical methods to repair nerve defects and in optimizing the construction of tissue-engineered nerve grafts. However, there remain major technical hurdles in obtaining, registering and interpreting 2D images, as well as in establishing 3D models. Moreover, the 3D models are plagued by poor accuracy and lack of detail and cannot completely reflect the stereoscopic microstructure inside the nerve. To explore and help resolve these key technical problems of 3D reconstruction, in the present study, we designed a novel method based on re-imaging techniques and computer image layer processing technology. A 20-cm ulnar nerve segment from the upper arm of a fresh adult cadaver was used for acetylcholinesterase(ACh E) staining. Then, 2D panoramic images were obtained before and after ACh E staining under the stereomicroscope. Using layer processing techniques in Photoshop, a space transformation method was used to fulfill automatic registration. The contours were outlined, and the 3D rendering of functional fascicular groups in the long-segment ulnar nerve was performed with Amira 4.1 software. The re-imaging technique based on layer processing in Photoshop produced an image that was detailed and accurate. The merging of images was accurate, and the whole procedure was simple and fast. The least square support vector machine was accurate, with an error rate of only 8.25%. The 3D reconstruction directly revealed changes in the fusion of different nerve functional fascicular groups. In conclusion. The technique is fast with satisfactory visual reconstruction.     

先天性髋臼发育不良伴严重骨性关节炎或股骨颈骨折全髋置换20例

摘要：2002-12/2008-04对20例髋臼发育不良伴严重骨性关节炎或股骨颈骨折的患者进行人工全髋关节置换,男6例,女14例;年龄40~70岁,平均59岁;双侧12例,单侧8例;主要症状为疼痛及跛行。置换前X射线：患侧髋臼CE角均> 25°,髋臼变浅,髋关节包容不全。随防10个月~6年,平均48.5个月。Harris评分平均91.0分,优18例,良2例,近期优秀率达到100%。全髋关节置换后X射线片示股骨柄和髋臼假体的位置以及假体与周围的骨质匹配良好,重建的髋关节中心均位于真臼中心点位置,假体无松动及明显下沉迹象,生活自理并恢复日常工作。对于髋臼发育不良伴严重骨性关节炎或股骨颈骨折的成人患者,如能处理好髋臼及股骨近段的畸形,选择好合适的假体,人工全髋关节置换是一种良好的治疗方法。     

三种人工髋关节置换治疗股骨头坏死67例：2年随访验证

背景：传统的全髋关节置换后可能需行多次翻修,近年来保留股骨颈甚至股骨头的人工髋关节置换的重建效果得到了普遍认可。 目的：采取保留股骨颈全髋置换、无柄关节以及表面置换方案治疗股骨头坏死,比较分析其治疗效果以及重建后并发症的发生情况。 方法：纳入2005-01/2007-07收治的股骨头坏死患者67例,根据病情分组治疗,保留股骨颈全髋置换组22例,无柄关节组20例,表面置换组25例,所有患者均获得2年以上随访。置换前、置换后1年及2年对患者进行评估,包括Harris髋关节评分、髋关节X射线片、髋关节与假体相关不良事件以及翻修情况。 结果与结论：经过2年以上的随访,表面置换组无翻修,Harris评分高于无柄关节组及保留股骨颈全髋置换组(P < 0.05);无柄关节组翻修1例;保留股骨颈全髋置换组翻修2例。提示与保留股骨颈全髋置换及无柄关节置换相比,表面置换对于恢复患者髋关节功能有着明显的优势,并发症少,翻修率低,对于年轻患者是一个较好的选择。