基本信息
- 项目名称：
- 个性化定制髋关节假体的三维CAD设计方案及虚拟移植的研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 假体松动、双下肢不等长等是全髋关节置换手术术后主要的并发症，是导致假体关节脱位、返修的主要原因。这与植入的标准化假体与患者个体化的骨髓腔匹配程度较低、临床医师多数凭着经验决定手术方案及假体植入后力的传入途径发生了根本变化等因素密切相关。 “医学虚拟现实与可视化”因其应用价值大、前景广，已成为医工交叉的研究前沿。本研究依据反求工程技术原理，采用薄层CT扫描数据计算机辅助重建活体髋关节三维CAD模型；基于Billing等定义及立体解析几何原理，计算机辅助、精准、半自动化地分别测量股骨头直径、容积及中心位置、颈干角、髋臼前倾及外展角度、髋臼窝半径等重要解剖参数；基于上述参数，采用计算机逼近拟合算法及有限元力学分析等工具，虚拟理想化假体模型及假体植入，比较活体髋关节重建模型及假体植入后的力学分布曲线，为人工髋关节置换术前三维可视化、优化手术方案以及研制适合国人体质、高匹配度及最佳力学曲线分布的定制髋关节假体等提供技术探讨、实体模型和设计依据。
- 详细介绍：
- 全髋关节置换手术中植入的假体多为生产商制造的标准化产品，由于受产品规格限制，使得假体与患者骨的匹配程度较低，术后易出现双下肢不等长的现象，不同程度影响了患者的术后生活质量。假体的松动是全髋关节置换手术术后另一个主要的并发症，也是导致假体关节脱位、返修的主要原因。这除了假体与患者骨的匹配程度较低有关外，还与另外两个因素有关，一是术中临床医师大多数凭着自己的经验决定植入假体的位置和深度以及切除坏死股骨颈的高度，导致假体与股骨有效髓腔的契合度降低，出现术后双肢不等长，假体下沉等现象；二是植入假体后力的传入途径发生了根本的变化，关节应力直接通过假体传到髋关节，而不同于生理关节的应力通过骨小梁从髋关节传到髋关节，造成应力遮挡，使得骨组织被吸收而萎缩，减低其承载能力，改变应力集中点，病人出现术后剧烈疼痛等现象。上述问题的理想化的解决方案，一是 “量体裁衣”、设计、制造在形态学、生物力学、材料力学等方面能最佳适应个体髋关节解剖特点的个体化、定做式人工髋关节；二是实际手术前虚拟、演练植入过程、精确预知植入后的效果。 多排螺旋CT和较高磁场MR等现代医学成像设备对疾病的解剖显示日益精细。计算机技术及现代医学成像技术的显著进步为运用反求工程技术原理及计算机虚拟现实技术应用于术前手术虚拟、植入假体设计制造等提供了现实途径。 本课题运用反求工程技术原理，采用薄层CT扫描数据计算机辅助重建活体髋关节三维CAD模型；基于Billing等定义及立体解析几何原理，计算机辅助、精准、半自动化地分别测量股骨头直径、容积及中心位置、颈干角、髋臼前倾及外展角度、髋臼窝半径等重要解剖参数；应用计算机虚拟现实技术、计算机逼近拟合算法及有限元力学分析等工具，虚拟理想化假体模型,研究其形态学；虚拟假体植入，比较活体髋关节重建模型及假体植入后的力学分布曲线，为人工髋关节置换术前三维可视化、优化手术方案以及研制适合国人体质、高契合度及最佳力学曲线分布的定制髋关节假体等提供技术探讨、实体模型和设计依据。 为此，本组研究分别从以下五个方面展开： （1）探讨一种精准、简便的股骨颈前倾角测量方法及其临床应用及其临床应用；推导出股骨颈前倾角公式，采用公式法计算右侧前倾角为17.3251°±1.1345°，传统法测量16.853°±7.631°； （2）基于以上方法和测量过程，系统测量左右侧髋臼前倾角等解剖学参数，为人工髋关节置换手术及个性化定制假体设计提供解剖学基础并初步探讨临床应用软件设计与开发； （3）髋关节三维可视化和形态学研究。采用髋关节螺旋CT数据，半自动分割髋臼窝、股骨头、股骨颈及股骨干，体素重建的方法对髋关节及股骨同时进行三维重建，从不同的角度观察髋关节三维立体及其周围重要结果毗邻关系，并在模型上进行三维解剖学测量，探讨其临床应用；为髋关节手术治疗、微创外科、立体定向、导航系统及虚拟假体设计提供三维可视化模型； （4）构建正常成年人股骨三维有限元模型。模型导入ANSYS 10.0软件后进行体网格划分，并再导入Materialise软件进行模型材料属性赋值，在ABAQUS软件定义边界条件，模拟直接暴力作用股骨干横界面生物力学研究，垂直水平面加载500N载荷，观察载荷后关节及股骨的应力曲线分布，提示股骨干以其内侧中下1／3交界处的应力最大，应力值分别为29.0Mpa，从而为假体材料和植入后的研究提供有限元力学分析基础。 （5）模拟具有理想形态学的人工髋关节植入。根据所测得的相关参数，设计理想形态学的假体模型，导入3D功能模块，虚拟三度空间精确调整假体植入体中的位置。在计算机中成功的实现个性定制假体等手术，并可预见和评估手术的结果，从而制定出最优的手术方案。患者所需假体和髋臼杯的型号将以报告的形式输出，为提高手术成功率及延长假体植入的寿命提供了一条新的、精确合理的途径。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 采用计算机虚拟现实技术、计算机逼近拟合算法及有限元力学分析等工具，虚拟理想化假体模型,研究其形态学；虚拟假体植入，比较活体髋关节重建模型及假体植入后的力学分布曲线，筛选形态学、力学分布最优化假体设计方案。模拟手术路径，优化手术方案，为人工髋关节置换术前三维可视化、优化手术方案以及研制适合国人体质、高契合度及最佳力学曲线分布的定制髋关节假体等提供技术探讨、实体模型和设计依据。
科学性、先进性及独特之处
- 1.发展了基于Billing等定义及立体解析几何原理的计算机辅助精准、半自动化髋关节置换相关重要解剖参数测量方法； 2．首次虚拟理想假体模型构建及其形态学研究； 3．首次对虚拟理想假体进行系统的有限元生物力学分析 4．首次提出兼顾形态学、力学分布最优化的假体设计模型方案探讨 5. 虚拟髋关节假体植入手术；
应用价值和现实意义
- 本实验中提供的较为精确的测量方法和解剖学参数为临床诊断髋臼畸形和手术提供了依据；三维可视化模型可以任意旋转观察患者的髋关节；有限元模型及虚拟手术方法将有利于临床医师制定髋关节置换手术前方案，确定假体型号和大小的及预见手术效果，显著降低手术风险、提高手术成功率，减少术后并发症，延长假体的寿命，提高假体匹配率。
学术论文摘要
- 目的：为研制适合国人体质、高契合度及最佳力学曲线分布的定制髋关节假体及优化手术方案等提供技术探讨、实体模型和设计依据。方法：1．反求工程技术原理计算机重构30例健康成人在体髋关节三维模型； 2．根据Billing定义及解析几何学原理推导出以定义的关键点坐标值为自变量的股骨颈前倾角计算公式，自动计算前倾角等参数； 3．计算机辅助拟合髋臼窝、股骨头、股骨上段髓腔等形态； 4．虚拟假体植入,分离骨皮质和髓腔,虚拟生理不同受力情境,有限元力学分析软件分析其力线分布； 5.根据上述结果筛选形态学、力学分布最优化假体，优化手术方案； 结果：1．推导出股骨颈前倾角公式，测量重要形态学参数； 2．重建出了髋关节三维可视化模型并可任意、实时旋转观察； 3．股骨三维有限元模型以内侧中下1／3交界处的应力最大，应力值为29.0MPa； 4．计算机虚拟实现个性定制假体等手术，并可预见和评估手术的结果、最优化手术方案。患者所需假体和髋臼杯的型号以文本报告的形式输出。 结论：上述公式、三维有限元模型及假体设计、虚拟植入等可应用于定制理想髋关节假体设计及优化手术方案。
获奖情况
- 暂无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]金今,等.人工全髋关节置换术术前的模板测量与术后评估[J].实用骨科杂志，2005,11:398-401 [2]李永奖，等. 全髋关节置换术后假体脱位的有限元研究[J].中医正骨,2007,19:66-68 [3]Mahomed NN，et al. Rates and outcomes of primary and revisiontotal hipreplacementinthe United States medicare popula-tion[J].J Bone Joint Surg(Am).2003,85:27-32. [4] Engh CA,et al.The accuracy and reproducibility of radiographic assessment of stress-shielding.A postmortem analysis.J Bone Joint Surg Am.2000,82:1414-1420. [5]薛文东,等.中国人股骨上段几何特征研究[J].北京生物医学工程,2006,25:30-34,98. [6]George KK，Rasha AN.Adaptive reconstruction of bonegeometry from serial cross-sections. Artificial Intelligencein Engineering,2001,15:227-239 [7]WernerA，LechniakZ，SkalskiK，etal.Design and manufacture of anatomical hipjoint endopros thesesusing CAD/PCAM systems.Journal of Materials Processing Technology，2000，107:181-186 [8]Handels H.，Ehrhardt J.，Plotz Wetal. Virtual operation plan in ginorthopaedie surgery. Comput Aided Surg(M)，2001;6(2):65-76. [9]徐林.人工关节置换手术学—人工关节假体设计[M].上海：第二军医大学出版社，2009
同类课题研究水平概述
- 近几年来,随着计算机图形学、图像学的发展，以及计算机图形处理速度的迅速提高，图像研究从二维到三维重构，发展到目前的重构三维图像和医疗器械的结合组成的手术规划、仿真技术——计算机辅助手术。传统的骨科手术，医生只能在大脑里进行术前模拟，其设计方案需凭经验，而且不能共享。而计算机辅助手术代替医生进行手术方案的三维构思比较客观、定量，且可以共享，在可视环境下，手术靶点图像能达到自然模拟、逼真体验的效果。使得外科医生在计算机中能感知进行假体选取，假体与肢体的对线、术后肢体的运动模拟等操作直至准确为止。这对临床医生特别是经验较少的外科医生有极大的帮助，可以帮助他们在虚拟环境下进行手术的模拟和训练。当遇到某些股骨及髋臼解剖学畸变病例时,医生可在计算机可视化条件下，获得股骨与髋臼的虚拟原型，进行诊断及提出精确的手术计划，进而设计出个体化人工髋关节假体。 在个体化人工髋假体CAD及CAM方面，一些发达国家已做了很多工作，并将之应用于临床。在设计制造方面，从1974年CAD技术首次在THA领域为个体化人工全髋关节设计开始，随着计算机技术和现代影像技术的发展，计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）在人工关节方面的应用也日益广泛。近年来，计算机辅助设计最活跃的领域是骨科，并广泛用于关节外科、脊柱外科、骨肿瘤以及创伤骨科。随着骨科手术的智能化、微创化得发展趋势，计算机辅助骨科导航术有可能成为骨科手术的首选方案。
