电针治疗膝骨性关节炎患者上下楼梯的三维有限元分析

针对电针治疗膝骨性关节炎患者上下楼梯运动生物力学特性改变进行有限元仿真研究,对比分析膝关节生物力学行为改变与电针治疗疗效的相关性.基于CT和MRI图像数据,结合Mimics和Geomagic医学图像处理软件,建立人体膝关节下楼梯屈曲15°和上楼梯屈曲50°时的三维有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内外侧半月板、股骨...     

基于三维打印及三维数据校正的骨折复原技术在股骨近端骨折治疗中的应用

目的 探讨三维(3D)打印的股骨近端骨折复原模型在术前规划与术中的应用,研究3D数据校正方案临床应用的可行性。方法 纳入2015年10月—2017年9月江苏省溧阳市人民医院骨科47例股骨近端骨折患者,按照左右两侧股骨自身配对方案,采用三层面长短轴对照方法进行前瞻性研究。所有病例行双侧股骨全长的CT扫描,获取DICOM数据,通过Mimics 15.0软件将双侧股骨远端距离膝关节髁间隆突凹5、10、15 cm处分别做3个横截面,记录符号为DF5、DF10、DF15。测量对比左右侧长轴与左右侧短轴。对于Mimics软件中股骨解剖轴线与冠状面和矢状面同时存在夹角的数据,进行3D数据校正。对47例股骨远端的左右侧3个层面(DF5、DF10、DF15)的长短轴(6对)进行数据汇总,通过Mimics 15.0软件生成3D模型的STL文件,打印出实际尺寸的股骨近端骨折模型和健侧股骨近端镜像模型,该镜像模型作为术前演练及手术解剖复位的参考,术中使用预演选取的置入物并术后摄片对比。结果 成对样本的相关系数均＞0.97;左右两侧股骨远端距离髁间隆突5 cm处的右侧短轴(28.20±3.41) mm,左侧短轴(28.54±3.51) mm,差异有统计学意义(t=3.404, P＜0.01),其余5对左右侧差异无统计学意义(P值均＞0.05)。47例患者均进行了手术治疗,术后复查X线,显示置入物选择与螺钉长度与术前设计符合,长度偏差在容许范围,内固定满意。结论 采用“三层面长短轴对照”进行左右股骨对称性判断,偏差小于5%者,术中直接采用镜像模型预演的置入物,固定效果满意,达到了术前规划,术中应用的预期目的。“三维数据校正方案”扩充了“三层面长短轴对照”的数据选取范围,有效避免了因肢体倾斜导致的数据失效问题。     

股骨远端LISS钢板固定钉道及远端贴附三维数字化模拟

目的　利用三维数字化重建和逆向工程技术，将LISS钢板与国人股骨远端重建模型匹配，并测量螺钉钉道参数，并探索一种个性化钢板固定手术方法。 方法　选自内蒙古医学院第二附属医院影像科非膝关节疾患成人CT连续扫描数据15例，共30侧（股骨大转子下缘至胫骨上1/3，年龄18～41岁，平均32岁），通过将重建钢板和螺钉导入Mimics10.01系统中与重建股骨远端进行配准，测量钢板钉孔位置上螺钉钉道长并检测钢板与股骨远端骨面贴附状况。 结果　螺钉钉道长度逐渐增大；重建股骨与钢板贴附实验中，左侧5例不能贴附，右侧7例不能贴附。 结论　LISS钢板固定股骨中远端，钉道由上到下逐渐增长，其长度有规律可循，现有产品规格与国人股骨远端解剖参数尚存在一定差异，需进一步改良。     

人工股骨头置换治疗严重股骨转子间骨折的有限元分析

目的　建立股骨转子间骨折、人工关节假体的三维数字模型,应用有限元对人工股骨头置换术后的股骨应力分布进行分析,评价置换术后的初始稳定性。 方法　利用螺旋CT对志愿者的左侧股骨进行断层扫描获取图像数据,经Mimics软件和Unigraphics建模软件处理,重建股骨三维模型。在此基础上,建立股骨转子间骨折、标准柄股骨假体三维实体模型,最后利用有限元分析软件Ansys10.0建立人工股骨头置换术治疗股骨转子间骨折的三维有限元模型,并对该模型进行生物力学分析。 结果　应力分析显示：正常股骨的应力由近端向远端逐渐上升,并于中下段达到最高。同时人工股骨头假体的应力集中于中段,与正常股骨的应力变化基本一致。人工股骨头置换没有改变股骨总体的应力模式,股骨距部位未见明显的应力集中区,依然是由近端向远端逐渐增加,应力峰值区域亦于全长股骨的中下段。 结论　标准柄人工股骨头置换治疗股骨转子间骨折不会引起股骨应力分布的明显改变,可以获得重建后的初期稳定。     

膝外翻畸形全膝关节置换的假体匹配:三维模型数字化测量与分析

背景:膝外翻畸形常需人工全膝关节置换来矫形,人工全膝关节置换选用假体与膝关节相匹配程度明显影响置换后长期效果。目前国内使用率较高的仍然是依据西方人数据设计的假体系统,应用于国人往往达不到最好匹配。目的:探讨股骨髁及胫骨平台的解剖形态学异常,为膝外翻畸形的全膝关节置换提供解剖学数据。方法:对41例(53膝)成人膝外翻畸形进行CT扫描,图像导入Mimics 10.01软件建立数字化三维模型,测量相关解剖参数,分析其分布规律与相关关系。将膝关节相关参数与单膝畸形患者的健侧正常膝(对照组29膝)进行比较。结果与结论:膝外翻畸形X射线片显示股胫角为(15.4±5.1)°,冠状面上测量股骨解剖轴与股骨远端关节面的外侧夹角(76.6±1.2)°减小,胫骨解剖轴与胫骨近端关节面的内侧夹角(95.8±0.5)°增大。CT显示通髁线与股骨髁远端关节面切线的夹角(6.5±1.3)°增大、通髁线与股骨髁后方关节面切线的夹角通髁线与股骨髁后方关节面切线的夹角(5.2±1.2)°增大。以上测量指标与对照组比较,差异有显著性意义(P0.05)。提示在膝外翻畸形全膝关节置换中,应注意股骨髁和胫骨平台的解剖学异常。     

成年人双侧膝关节形态学相似程度分析

目的通过比较双侧膝关节的形态学参数,评估利用镜像法逆向重建膝关节假体的有效性。方法以健侧为模板提取参数,基于逆向工程思路重建膝关节假体。实验共收集双侧CT分析区域数据正常的胫骨18例、股骨69例,进行三维重建,利用Geomagic Control 2015进行配准,分别计算双侧膝关节的胫骨、股骨的偏差体积和面积及软件处理偏差,分析双侧膝关节的形态学差异,验证镜像法结合逆向工程技术设计个性化假体的可行性。结果偏差分析结果显示,超过85%区域差异小于1 mm,双侧膝关节存在高度的相似性。用Geomagic进行曲面优化前后股骨表面积无显著差异(P=0.197),胫骨表面积也无统计学差异(P=0.798)。股骨相似程度为(0.3427±0.9956)mm,胫骨的相似程度为(0.4165±1.0714)mm。结论双侧股骨远端及胫骨近端的关节面区域存在较高的相似性,可以利用健侧的股骨关节面原位逆向建模数据拟合的方法设计个性化假体。     

中国汉族人与美国高加索白人膝关节几何形态的比较

背景:有研究显示中国人膝关节胫骨近端前后径和横径均小于美国高加索人,所以在膝关节形态学方面存在一定差异,因此常发生进口假体系统应用于国人后出现匹配度不高的现象。目的:测量中国人和美国人股骨远端、胫骨近端的几何形态学参数,比较其差异。方法:选择北京清华长庚医院骨科拟行前交叉韧带重建的中国汉族患者50例,以及美国匹兹堡大学运动医学中心拟行前交叉韧带重建的高加索白人后裔患者40例,对90例受试者膝关节进行CT扫描,使用AW Volume Share 5软件进行三维重建,利用Geomagic软件对胫骨近端和股骨远端的各项参数进行测量。结果与结论:①股骨近端测量参数中,中国人的外侧胫骨平台内外径小于美国人(P=0.027),外侧胫骨平台后倾角大于美国人(P<0.05);两组间胫骨平台内外径、内侧胫骨平台外径、内侧胫骨平台前后径、外侧胫骨平台前后径与内侧胫骨平台后倾角比较差异均无显著性意义(P>0.05);②股骨远端测量参数中,中国人的股骨远端横径、外侧髁内外径、内侧髁前后径、外侧髁前后径及髁间窝高度均小于美国人(P<0.05),股骨外翻角大于美国人(P<0.05);两组间内侧髁内外径、髁间窝宽度及滑车沟宽度比较差异无显著性意义(P>0.05);③结果表明,中国人与美国人在膝关节形态学的多个参数存在差异,有必要针对中国人设计更为个体化的膝关节假体。     

膝关节关节软骨的三维构建

目的:构建膝关节关节软骨的三维模型,为开展膝关节数字医学研究进行模型构建的探索。方法:人体成年新鲜膝关节标本1例,行CT、MRI扫描,利用三维重建软件Mimics及逆向工程软件Geomagic对图像进行三维重建及图像配准,构建膝关节骨、关节软骨结构。结果:利用Mimics 10.01软件构建关节软骨的三维模型,并形成骨-关节软骨复合模型,导入Geomagic软件中与CT构建的骨三维模型相配准,再次导入CT影像中进行逐层微修饰,验证关节软骨分割效果。最终建立具有骨、关节软骨的三维膝关节模型。结论:三维图像重建技术与图像配准技术可将CT、MRI图像两者结合起来,发挥其各自优势,构建出形态较好的膝关节三维模型。     

3D膝关节模型的构建

背景:三维图像重建是开展膝关节虚拟研究的基础。关节周围韧带、软骨、半月板等结构分割重建报道较少。目的:在前期大量膝关节标本解剖研究的基础上,利用CT及MRI数据,三维重建包括关节周围韧带、软骨、半月板等结构在内的膝关节模型。方法:采用1例人体成年膝关节标本CT、MRI薄层扫描数据,导入Mimics 10.01分别三维重建膝关节骨、软骨、韧带及半月板等结构,利用逆向工程软件Geomagic 8进行及图像配准处理。结果与结论:三维重建了包括关节周围韧带、软骨、半月板等结构在内的膝关节模型,为建立相应膝关节有限元模型奠定了基础。     

基于CT数据的股骨轴线的获取

目的　提出一种利用CT影像数据自动获取股骨轴线的方法,利用该方法可以在计算机上获取精准的股骨三维解剖轴线与机械轴线。方法　对人体下肢进行CT扫描,然后对CT图像进行二维阈值分割、三维数据体重建、骨骼分组、数据平滑填充及三维数据体旋转等预处理,获得三维股骨表面模型;通过对股骨头与股骨远端形态特征的分析,根据股骨头近似球形的特点,对判断断层扫描数据梯度变化来计算股骨头中心位置,另外,逐层搜索膝关节断层图像上闭环区域的方法自动求得股骨远端中心的坐标,从而获得股骨长轴。结果　建立了一种基于CT图像简便快捷的自动获取股骨头中心与膝关节骨中心三维空间坐标的方法。结论　通过此方法可较为精确获得人体下肢的三维股骨机械轴线和股骨解剖轴线。     

基于CT三维重建个体化股骨假体的计算机辅助设计(英文)

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GESpeedLight16排螺旋CT对股骨中上段进行层厚3mm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。     

基于CT影像的人体踝关节三维重建

以踝关节的生理解剖结构为理论依据,利用踝关节的CT图像作为二维数据源,通过医学图像处理软件Mimics建立踝关节的三维模型,然后使用3-matic对三维模型的网格进行优化,最后对优化前后的模型进行对比分析。结果发现经过优化后的踝关节三维模型在结构上与人体真实的踝关节结构并无明显的差异,精确程度满足要求,对于患者病情的分析及治疗方案的确立具有重要的指导意义。     

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。     

应用逆向工程技术测量人膝关节内外侧间室间隙和体积

背景：膝关节是人体骨骼中形态及结构最为复杂的部分,临床上常使用X射线片反映膝关节间隙狭窄程度。但X射线片是将三维的关节结构进行二维投射,因此关节拍摄定位的不同会影响测量结果,很难保证重复测量的准确性。 目的：建立膝关节间隙三维模型并测量其距离和体积,为后续的模型、生物力学及相关临床研究提供基础。 方法：基于逆向工程原理,采用膝关节CT断层图像,使用Mimics进行膝关节和内侧间室三维结构重建,最后导入Geomagic Studio对模型进行光滑处理并计算膝关节内、外侧间室体积。 结果与结论：利用膝关节CT断层图像分别重建出膝关节三维模型的骨性结构如股骨、胫骨、腓骨,并成功构建出膝关节间隙模型。构建的膝关节三维模型和间隙模型可以任意角度或单独观察,并可以进行体视学测量。发现膝关节内外侧间隙虽然距离有差异,但体积接近,说明通过计算膝关节内、外间室的体积,可以全面的反映膝关节间隙的狭窄程度。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。     

三维数字化重建在中国人胫骨近端形态学研究中的应用

背景：在进行中国人膝关节假体设计以及全膝关节置换时,不仅要考虑到中国人胫骨近端解剖特点和几何形态上的差异,同时也还应该注意不同个体间的差异性。 目的：通过数字化技术分析中国人正常胫骨近端正常形态学参考值的变化。 方法：采集正常中国人两侧膝关节原始CT扫描图像,Mimics 10.1软件系统构建膝关节骨三维数字化模型。并对胫骨近端模型模拟截骨,测量胫骨截面相关线性参数。根据不同性别进行分组观察胫骨近端形态学参考值的变化。 结果与结论：除胫骨平台外侧前后径/内侧前后径、内侧前后径与外侧前后径的差值外,男性横径和前后径值均大于女性,大部分男性受试者所测量胫骨近端各截骨面值与女性受试者相比差异有显著性意义(P < 0.01)。说明正常中国人胫骨近端形态学存在性别个体差异,具体表现在：①不同测量方法形成的测量数据可更加全面反映胫骨近端形态学特征。②胫骨平台前后径/胫骨平台横径比值方面女性大于男性。     

数字化导航模板辅助全膝关节置换的临床应用

目的　探讨临床数字化导航模板辅助全膝关节置换的可行性和准确性。 方法　招募20例（男8例,女12例）膝骨性关节炎患者。采集患者下肢全长MRI扫描数据,利用逆向工程软件对MRI数据进行处理,计算机内设计得到一款与股骨远端和胫骨近端匹配的可定位截骨平面和外旋轴的导航模板,最后通过快速成型机制作模板实物用于临床手术操作。手术由同一位具有关节置换经验的骨科医生行全膝关节置换手术。术前观察导航模板与股骨髁和胫骨平台匹配性,术后通过CT扫描检测截骨的准确性。 结果 导航模板与股骨髁和胫骨平台贴合紧密,无明显移动;所有患者股骨远端和胫骨近端截骨面与下肢机械轴基本垂直,外旋轴定位精确,股骨后髁截骨面与通髁轴保持平行。 结论 数字化导航模板辅助全膝关节置换具有安全可行,手术操作简单,截骨力线准确。     

膝关节三维有限元模型建立和验证及模拟后交叉韧带重建术

目的建立健康成年人膝关节三维有限元模型并进行验证,在此基础上建立模拟后交叉韧带单束重建术的股骨、胫骨隧道和移植物模型,为进一步分析奠定基础。方法以MRI作为数据源,运用医学制图软件Mimics,逆向工程软件Geomagic studio、Solidworks及有限元分析软件Abaqus,参考大量有关实验的文献报道,建立所需三维有限元模型。验证模型:模拟膝关节在屈曲0°情况下,对股骨施加后向134 N集中力,得出胫骨股骨相对位移及主要韧带受力分布与已报道文献进行比较;模拟膝关节屈曲0°情况下,加载垂直方向395 N集中力(单腿站立时下肢受力),得出软骨及半月板von Mises应力并与已报道文献进行比较。结果建立的膝关节三维有限元模型包括股骨下段、胫腓骨上段、髌骨、股骨软骨、胫骨软骨、髌骨软骨、髌韧带、内外侧半月板、前后交叉韧带、内外侧副韧带,几何形状良好。模型验证:股骨相对胫骨前后、远近及内外方向上位移分别为4.52 mm、0.35 mm和1.12 mm,此时韧带应力主要分布在前交叉韧带股骨附着处和体部且股骨附着处最大,与类似实验报道结果一致,且与临床结论前交叉韧带主要限制胫骨前移、在股骨附着处易发生断裂一致;半月板承担主要应力且内侧大于外侧,主要分布在内缘,最大应力值为1.65 MPa,其次胫骨软骨最大应力为1.05 MPa,股骨软骨应力最小,主要受力部位在内侧,为0.78 MPa;与已报道文献及尸体解剖力学实验结果一致,验证了该模型的有效性,在此基础上模拟建立后交叉韧带单束解剖重建股骨、胫骨隧道和移植物模型,基本可以满足有限元分析的需要。结论采用MRI图像建立膝关节三维有限元模型切实可靠,能很好地模拟膝关节解剖结构及后交叉韧带重建术中的股骨、胫骨隧道并满足生物力学的研究。     

基于MRI建立膝关节前交叉韧带三维数字化模型

背景：近年来有关膝关节前交叉韧带三维数字化模型的研究在国外发展迅速,但在国内,未见对包括全膝关节及前交叉韧带在内的三维数字化模型进行基础解剖研究的报道。 目的：评估运用MRI二维图像及MIMICS软件建立膝关节及前交叉韧带三维数字化模型的真实性及可靠性。 方法：选择20例新鲜成人尸体正常膝关节标本,利用MRI对标本进行二维扫描,获得层厚为1.0 mm的连续图像资料,将该资料以DICOM格式导入计算机并利用MIMICS软件进行三维重建,建立包括股骨远端、胫骨近端、前交叉韧带、半月板、髌骨及腓骨等在内的双膝关节三维实体数字化模型,利用测量软件测量相关指标;同时对尸体标本进行解剖并测量膝关节前交叉韧带的相关参数,与模型所测指标行配对比较。 结果与结论：尸体标本测量数据与三维实体数字化模型测量数据的结果差异均无显著性意义(P > 0.05)。提示利用MRI采集获得的人体膝关节及前叉韧带图像数据可以建立较为真实可靠的膝关节及前交叉韧带三维实体数字化模型。     

计算机辅助设计膝关节股骨远端三维B样条曲线的科研教育

背景:上海理工大学医疗器械与食品学院生物医学工程专业开设了《科研基础实训》,希望通过这门课程使学生可以利用AUTOCAD计算机辅助设计软件并结合课程书写相关学术论文。目的:培养学生的科研基础能力,为进一步实现个性化人工膝关节的设计和生产提供数据基础。方法:膝关节计算机断层扫描二维图像由上海市闵行区中心人民医院提供,要求同学们利用AUTOCAD软件对患者的计算机断层扫描二维图像进行轮廓提取,并且能得到膝关节股骨远端的三维B样条曲线,从而为人工膝关节的个体化设计制造做好准备,以更好地适应国内医学界对个性化膝关节置入的需求,更好地为膝关节置换患者服务。结果与结论:同学们对获得的人体膝关节股骨远端计算机断层扫描文件图像进行了图像处理,利用计算机辅助设计等图像处理软件对膝关节股骨远端进行了二维轮廓的矢量化和二维轮廓提取,建立了基于患者股骨远端计算机断层扫描断层胶片股骨远端二维图像轮廓的三维数据,为临床医学中膝关节的个性化设计提供了一种有效的手段。