数字骨科学:计算机辅助快速成型技术与人工关节

快速成型技术是20世纪80年代中期发展起来的,它是在计算机的辅助下,根据物体的计算机辅助设计(CAD)模型或CT等数据,通过材料的精确堆积,制造原型的一种基于离散、堆积成型原理的新的数字化成型技术。人体的骨骼结构存在着很大的差异,标准化的假体不能适用于所有的患者,快速成型技术可以根据特定患者的断层图像数据,而不是标准的解剖学几何数据来设计并制作植入假体,这样极大地减少了设计的出错空间,并且这种适合每个患者解剖结构的个体定制化人工关节,确实能保证一个更好的手术结果。快速成型技术在骨关节研究领域的发展,将关节假体的外科治疗提升到个性化治疗阶段,极大地提高手术的效率与准确性。     

膝关节置换中的3D打印技术

<正>1项目概述个体化和精确化是骨科的一个重要方向,近年来,随着计算机技术在医学领域的应用,数字医学应运而生并蓬勃发展,使骨科手术精确化、个性化的手术设计成为可能。随着3D打印技术的出现,使数字化设计实现了从虚拟模型到现实模型的跨越。3D打印技术,即一种"快速成型技术",它是一种以数字模型文件为基础,集成CAD技术、数控技术、激光或电子束技术和材料科学等现代科技成果,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过分层     

快速成型方法制备组织工程支架的研究与应用

背景：快速成型是基于材料堆积法,结合计算机、数控、激光和材料技术于一体的高新制造技术。 目的：综述快速成型技术在组织工程支架制备中的应用。 方法：由第一作者检索万方数据库、中国知网数据库和Elsevier Science Direct Online有关支架材料的生物力学性能、支架材料发展前景及快速成型技术在支架材料制备领域中应用研究等方面的文献。 结果与结论：快速成型技术应用于组织工程支架的制备已经越来越成熟,快速成型技术不但克服了传统制造方法中存在的支架复杂外形制造困难和内部微结构无法控制的缺陷,而且还可以通过有限元分析预先对支架的结构进行优化,以实现改善支架机械强度等某些特殊的要求。但是,由于组织器官的特殊性和排外性及细胞的黏附条件,不但要从结构上改善支架,而且需要快速成型技术与具有组织相容性及可降解的材料相结合,使支架植入生物体后,细胞能更好地增殖和分化,促进组织再生,修复缺损组织。     

快速成型技术在骨科领域应用的文献计量学分析

背景:快速成型技术近年来已广泛应用于硬组织外科领域,但国内目前尚未有从文献计量学角度分析快速成型技术在骨科领域应用的相关文献报道。目的:通过对相关论文的文献计量学分析,探讨快速成型技术在中国骨科领域应用方面的现状及发展趋势。方法:应用计算机检索CBMdisc数据库(1978-01/2010-06),以主题词"骨科学"结合自由词"快速成型、快速成形、快速原型、快速原形"等作为检索策略;应用计算机检索《中国医院知识仓库》医药卫生类专辑(1994-01/2010-06),以"快速成型、快速成形、快速原型、快速原形"等为检索词,以篇名、关键词、摘要为主要检索字段;同时手工检索相关期刊。共收集到241篇论文,通过浏览全文纳入203篇符合标准的文献,其中重复发表2篇,对最终纳入的201篇文献进行文献计量学分析。结果与结论:国内有关快速成型技术在骨科领域应用的文献首次发表于1998年,随着人们对快速成型技术的逐步认识和深入研究,关注这一主题的文献逐渐增多。《中国组织工程研究与临床康复》、《中华创伤骨科杂志》和《中国矫形外科杂志》等是该研究主题的重要期刊,相关文献主要发表在骨科专业杂志、高等院校学报以及与数字骨科密切相关的生物医学工程、组织工程、机械工程以及材料学等专业期刊上。李祥、陆声、马兴、颜永年、陈玉兵是该主题研究的高产作者,但尚未形成一个专业的研究群体;所有论文的第一作者均出自三甲医院和高等院校,发表文献最多的是解放军第四军医大学西京医院、西安交通大学和清华大学;西安和北京是该主题研究最为活跃的两个地区,但发展存在地域分布不平衡现象。63.2%的论文获得了基金支持,主要以国家自然科学基金、"863"计划、国家博士后基金等为主,彰显了该主题文献起点高、科研力量雄厚、论文质量好的特点。此外,快速成型技术在国内骨科领域的应用已逐渐从基础研究向临床研究转化,相关基础研究主要关注人工骨仿生制造、假体设计与制造、骨科器械研发以及计算机辅助设计实物模型等内容,而临床研究主要以四肢复杂骨折、四肢畸形矫形、骨肿瘤以及脊柱疾患的治疗为主。     

个体化导航模板辅助儿童下颈椎椎弓根螺钉置钉准确性实验研究

目的利用计算机辅助设计与快速成形技术为儿童下颈椎椎弓根螺钉置入提供一种个性化、精确定位的方法。方法对6具颈椎尸体标本进行CT扫描,根据CT扫描资料,利用逆向工程原理及快速成型技术设计制造出个体化导航模板,利用个体化导航模板在尸体标本上辅助置入胸椎椎弓根螺钉,所有螺钉的置入由同一位具有腰椎椎弓根螺钉置钉经验但无颈椎椎弓根螺钉置钉经验的骨科医师进行操作,随后根据CT扫描评价椎弓根螺钉位置。结果共设计制作30个导航模板,辅助置入60枚颈椎椎弓根螺钉,CT扫描发现所有螺钉均准确置入相应椎弓根内。结论数字化导航模板辅助下颈椎椎弓根螺钉置钉准确性高,操作简单,为儿童下颈椎椎弓根螺钉的准确置入提供了一种新的、可行方法。     

快速成型技术在正颌外科中的应用

目的利用螺旋CT扫描、三维重建和快速成型技术制作三维头颅模型,并探讨其在口腔颌面部治疗中应用的可行性与准确性。方法对1例颅骨和口腔颌面部不对称严重畸形的第一、二鳃弓综合症患者使用螺旋CT连续薄层容积扫描,CT数据传至工作站后行三维重建并转换成STL文件格式。将处理后的数据输入快速成型机制造三维头颅模型,在此模型上直接进行测量,并利用患者健侧下颌骨镜像复制出其患侧下颌。结果根据CT数据制作的三维模型能立体、精确地显示颅面三维解剖结构及其相互关系。模型与真实个体之间总体误差可以控制在0．02～0．53mm。通过镜像复制出患侧下颌骨模型。为准确了解畸形情况、制定合理的手术治疗计划提供了极为重要的依据。结论快速成型技术制作颅骨镜像实体模型可行。     

3D打印人体器官的构建

正1 3D打印技术1.1概述3D打印(3D printing)技术即3D快速成型(3D rapid manufacturing)技术或增材制造(additive manufacturing)技术,是20世纪90年代中期出现的,是制造业领域飞速发展的一项新兴技术,公认为"具有工业革命意义的制造技术"~([1])。在计算机的控制下,基于物体的计算机辅助设计(CAD)模型或计算机断层扫描(CT)等数据,通过3D打印机这种特定的成型工具,用     

电子束熔融快速成型技术在骨科植入物修复过程中的骨诱导能力

背景：电子束熔融快速成型技术(EBM RP)是一种新型金属粉末快速成型技术,它具有精准、复杂成型的特点,已在航空航天、汽车和医疗植入器材等领域显示独特的应用优势。 目的：探索电子束熔融快速成型技术用于骨科植入物时表现出的产品性能、个性化定制能力,尤其是诱导骨长入能力。 方法：计算机检索Pubmed数据库、中国期刊全文数据库、知网数据库,手工检索《东方早报》《世界科学》《中国骨科杂志》,以及相关的中英文会议论文集。所有检索时间均截止至2013年9月。纳入标准：①应用电子束熔融快速成型技术的文章。②外科植入物相关文章。最后选择50篇文献进行分析。 结果与结论：EBM态Ti6Al4V骨科植入物具有良好的产品综合性能;电子束熔融快速成型技术具有优良的个性化定制能力,尤其是生成的3D连通的孔隙结构,可提供诱导骨长入的结构性条件,在骨科植入物方面享有独特的优势。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;组织工程全文链接：     

应用三维打印成型技术制备个体化多孔纯钛植入体的研究

三维打印(3DP)成型技术适合成型形状复杂、结构精细的个体化多孔医用生物植入材料,能满足不同患者的不同需求。本文应用3DP成型技术制备直径为25mm×20mm的多孔纯钛植入体生柸,于500℃真空脱粘后,在氩气保护下烧结至1 300℃,利用扫描电镜(SEM)观察其孔径大小介于50～150μm,其孔隙率、体积密度、维氏硬度、抗压强度及弹性模量测试结果分别为(44.26±2.43)%、(2.59±0.81)g/cm3、134.2～151.6、(61.2±3.2)MPa、(3.25±1.08)GPa。结果表明,3DP成型技术在制备个体化多孔纯钛植入体方面有着广阔的应用前景。     

文章导读

3D打印骨科模型是3D打印技术在医学领域应用较早、范围较广的一项技术。随着数字化技术和医疗科技的发展,3D打印技术越来越多地应用于骨科其他领域,如3D打印导板、3D打印内植入物等。本期专刊文章从3D打印骨科模型、3D打印手术导板、3D打印内植入物、3D打印教学应用等方面出发,探讨3D打印技术在骨科中的应用,以期为临床应用提供参考。     

3D打印技术在髋关节置换中的应用及价值

BACKGROUND: Three-dimensional (3D) printing technology is a new rapid prototyping technology, which has been initially applied in orthopedics, especially in the clinical application of hip replacement surgery.     

快速成型技术在医学中的应用

快速成型是 2 0世纪 80年代末发展起来的新技术 ,它在医学上已得到广泛应用。本文对快速成型进行了简单介绍 ,主要综述了在手术计划、假体制造和生物工程中的应用 ;对某些领域中的不足也进行了讨论 ,主要是相对于工业快速成型技术可达到的精度 ,医学 CT扫描的层距显得过厚。     

3D打印技术在脊柱外科的应用

BACKGROUND: Three-dimensional printing technology is a new technology which can quickly and accurately transform the virtual computer-aided design into the three-dimensional physical prototypes. Three-dimensional printing physical model method can replace the method of traditional preoperative planning and repair surgical simulation, with the characteristic of repeatable, which has been deepened day after day in clinical application of spine surgery. OBJECTIVE: To summarize the application status of three-dimensional printing technology in spine surgery and look forward to its future development directions. METHODS: The articles regarding the application of three-dimensional printing technology on clinical applications in spine surgery were retrieved from PubMed databases, Google Scholar, China National Knowledge Infrastructure and Wanfang Database from January 2000 to July 2015. The key words were 3D printing technology, rapid prototyping technology, spine, vertebra, department of orthopedics, fracture, joint, hand and foot, bone tumor, trauma, cervical vertebrae, thoracic vertebrae, lumbar vertebrae, sacral vertebrae, pedicle of vertebral arch, vertebral body, intervertebral disc, and clinical application. A total of 50 articles with a good representation were selected and discussed after repetitive studies and reviews were excluded. RESULTS AND CONCLUSION: The three-dimensional printing technique has been applied in preoperative diagnosis, individualized orthosis customerization, the communication between doctors and patients, teaching, the formulation of individualized and high-accurate repairing plan, intraoperative navigation and individualized implant customization. These results suggest that with the rapid development of medical imaging, digital medicine and technologies of the cell and tissue culture and new materials, three-dimensional printing technology will have a wide range of applications in spine surgery.       

定制型聚羟基乙酸/聚乳酸支架与犬骨髓基质细胞的体外复合培养

背景：聚羟基乙酸、聚乳酸均属于脂肪族聚酯,是一种具有一定机械强度和良好成型性能的生物可降解材料,在体内无毒,不聚积,且有良好的生物相容性。 目的：应用CAD、CAM、快速成型和激光扫描技术等组成的数字医学系统制作聚羟基乙酸/聚乳酸三维仿真的下颌支髁突形态模型,并检测其细胞生物相容性。 方法：通过CT扫描获得犬头颅骨影像信息,以CAD和CAM实现下颌骨髁突形态的三维重建影像,快速成型技术获得下颌骨髁突的树脂阳模。阴阳模转换获得相应石膏阴模,聚羟基乙酸/聚乳酸在阴模内成型。抽取犬髂骨骨髓获得骨髓基质细胞,与定制型聚羟基乙酸/聚乳酸支架在体外复合培养,检测支架材料的生物相容性。 结果与结论：定制型聚羟基乙酸/聚乳酸支架和影像原型比较,当测试点误差小于1.0 mm时,复合率大于95%。通过CAD、CAM、快速成型技术、预压成型技术和激光扫描技术等组成的数字医学系统可实现颅颌面下颌骨髁突形态结构聚羟基乙酸/聚乳酸生物材料的三维仿真。体外复合培养结果表明,定制型聚羟基乙酸/聚乳酸支架和骨髓基质细胞具有良好的生物相容性。     

多层螺旋CT三维重建技术在创伤性骨折中的应用

背景：螺旋CT三维重建技术尤其在解剖结构复杂、重叠较多的骨关节骨折中具有非常重要的应用价值,能够显著提高诊断率,减少漏诊率,为临床提供更多的诊断信息。 目的：探讨了螺旋CT三维及多平面重建的应用原理及不同部位骨折中的临床应用。 方法：应用计算机检索万方数据库、维普数据库和PubMed数据库中1999-01/2011-09关于多层螺旋CT三维重建技术在骨科领域应用的文章。选择文章内容与骨折及螺旋CT重建相关,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。初检得到157篇文献,根据纳入标准选择30篇文章进行探讨。 结果与结论：螺旋CT扫描后三维或多平面重建技术在骨折创伤检查中显示出重要的价值,它能很直观地显示骨折关节的损伤情况,有助于骨折正确分型,为骨科医师进行合适的治疗方案选择提供依据。随着多排螺旋CT的快速发展,三维CT重建技术更快捷、简单、实用,图像更加清晰,目前在计算机图像处理技术的基础上发展出了计算机辅助外科手术系统,与三维图像重建的有机结合可使临床医生能够更好的进行手术计划制定评估预后或治疗后随访,有较好的应用价值及前景。 关键词：螺旋CT;骨折;三维重建;评估;计算机辅助 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.09.038     

3D打印技术在骨科的应用研究

3D打印呈现井喷式的发展,该技术在骨科的应用是一个热门的研究方向。本文阐述了3D打印技术在骨科方面的应用近况,主要对该技术在术前规划、术中导航、临床教学、医患沟通、康复支具、骨科内植物、生物打印等多个方面的应用进行综述,归纳了3D打印技术运用于骨科的优势,总结了目前存在的一些技术难点,并对3D打印技术在大块骨缺损的修复、假肢等方面的应用进行了展望。     

Convex optimization problem prototyping for image reconstruction in computed tomography with the Chambolle-Pock algorithm

The primal-dual optimization algorithm developed in Chambolle and Pock (CP) (2011 J. Math. Imag. Vis. 40 1-26) is applied to various convex optimization problems of interest in computed tomography (CT) image reconstruction. This algorithm allows for rapid prototyping of optimization problems for the purpose of designing iterative image reconstruction algorithms for CT. The primal-dual algorithm is briefly summarized in this paper, and its potential for prototyping is demonstrated by explicitly deriving CP algorithm instances for many optimization problems relevant to CT. An example application modeling breast CT with low-intensity x-ray illumination is presented.     

A review of rapid prototyping (RP) techniques in the medical and biomedical sector

The evolution of rapid prototyping (RP) technology is briefly discussed, and the application of RP technologies to the medical sector is reviewed. Although the use of RP technology has been slow arriving in the medical arena, the potential of the technique is seen to be widespread. Various uses of the technology within surgical planning, prosthesis development and bioengineering are discussed. Some possible drawbacks are noted in some applications, owing to the poor resolution of CT slice data in comparison with that available on RP machines, but overall, the methods are seen to be beneficial in all areas, with one early report suggesting large improvements in measurement and diagnostic accuracy as a result of using RP models.     

数字及逆向工程技术在复杂骨科应用进展

背景：医学数据可视化技术的快速发展及不断对医学领域地渗透,尤其使脊柱外科在诊断和治疗上发生了根本性地改变,朝着“精确化、个性化、微创化”方向发展,已成为临床骨科治疗中不可或缺的重要手段。 目的：通过对数字技术在复杂骨科应用进展,明确研究突破口。 方法：由第一作者在PubMed数据库、万方数据库、维普数据、中国知网库检索,时间范围为1990/2011。检索词为“个性化的定位导航模板,数字解剖模型,螺钉内固定术,逆向工程技术,快速成型技术”。纳入标准为导航模板制备工艺及技术的研究、有限元相关理论的研究、实验及临床应用。排除标准为与此文目的无关、较陈旧的文献和重复同类研究。 结果与结论：利用数字化技术重建的导航模板为骨科螺钉内固定的定位、定向固定提供了一种新的方法。通过数字化重建技术可以制作个体化导航模板,将模板紧密贴合于相应的解剖结构上进行导航穿刺,即可完成对术区的准确定位和定向。对复杂骨科手术,尤其是解剖结构畸形变的患者有着不可替代的意义。为临床手术设计奠定良好的基础,提高准确性和安全性。