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应用反求工程初步建立髋臼三维图像数据库
介绍一种应用反求工程技术建立髋臼三维图像数据库的方法.选择正常成人的骨盆进行CT扫描,获得三维数据,通过反求工程来完成髋臼形态的曲面重构和实体造犁,建立髋臼图像数据库.根据患者特点从数据库中选择合适的髋臼三维模犁,利用快速原型技术制造出髋臼仿真模型.提示应用反求工程可以建立髋臼三维图像数据库,有助于对髋臼骨形态的重新认识,可为髋臼臼骨折的手术设计和髋臼缺损的解剖重建提供重要的参考.
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采集表面肌电信号应用于动作识别的可行性
背景:文献表明上肢前臂运动时所产生的表面肌电信号具有非线性特征,而肢体运动时肌电信号又呈现出非平稳特性.目的:设计一种简单的拾取电路采集表面肌电信号,拟应用于动作肌电信号的特征识别.方法:根据表面肌电信号的特点,设计高共模抑制比的前端放大电路,抑制共模干扰;采用低通滤波电路,有源双T带阻滤波器对信号进行去噪处理;对采集得到的信号进行小波包变换,得到信号的特征量.结果与结论:所设计的表面肌电信号检测电路具有较高共模抑制比,并能有效地滤除50 Hz工频信号,可以满足肌电信号采集电路的基本要求.肌电信号的处理结果表明采用子频段能量值的方法可以区分手部4种不同动作.
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Ansys有限元分析在假脚设计中的应用
为改进假脚模型的设计,用Ansys有限元分析软件对假脚三维模型进行加载模拟.采用钢和硬铝合金两种材料的假脚模型,模拟人正常行走时足跟着地和足尖即将离地时脚板的变形与受力情况.Ansys分析结果显示,在此种假脚结构下,单纯用钢或铝合金来制作假脚安全系数不高,特别是铝合金的强度达不到极限情况下的要求.提示:①利用Ansys有限元分析得到的应力结果可进行强度校验.②利用Ansys分析得到的数值.根据能量方程,得知此模型中.脚尖离地时的储能大于脚跟着地时的储能,硬铝合金结构的储能大于钢结构的储能.③利用Ansys有限元分析可以方便地找到假脚模型的应力集中区域,以指导设计的改进.
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计算机辅助导航系统在面中部骨折治疗中的应用
背景:组成面中部的诸骨均为立体结构,颧骨等在受伤时经常发生位置、角度等的改变,在常规的面中部骨折治疗中,特别是面中部复合骨折或陈旧性骨折,恢复其立体结构的位置、角度等是较为困难的,而应用计算机导航系统就为术中恢复其解剖形态的准确性提供了较为可靠的依据.目的:观察计算机辅助导航在面中部骨折治疗中的应用效果,并探讨应用中的注意事项.方法:选择北京积水潭医院口腔科及眼科2007-03/2008-08收治的面中部骨折患者6例,其中眼眶-上颌-颧骨复合骨折4例,上颌骨Le FortIII型骨折2例.均采用计算机辅助导航系统辅助手术,术前通过CT采集数据,利用导航计划软件进行术前设计,术中利用导航工作站对手术适时导航,行切开复位内固定.结果与结论:计算机辅助导航系统可以使面中部骨折的治疗做到术前准确设计、术中精确定位,复位后经6～12个月随访疗效满意.提示应用计算机导航系统能提高面中部骨折复位的准确性,是一项值得推广的技术.
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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,运用阂值选取技术、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.
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胸腰段骨折不同固定方式的有限元分析
背景:对于不稳定的胸腰段骨折选择合适的内固定方式至关重要.目的:建立胸腰段爆裂骨折以及不同方式内固定有限元模型,进行不同方向加载后比较不同固定方式的生物力学特性.设计、时间及地点:对比观察,于2008/08-10在同济大学力学实验室完成.材料:采用德国西门子公司螺旋CT(64排)扫描一成年健康男性志愿者的T_(11)～L_1节段,间隔0.6 mm.采用布尔操作,去除T_(12)椎体下半部分,保留椎体的后部结构,建立胸腰段爆裂骨折的有限元模型.方法:试验分为5组,模型1为后路4钉2棒固定模型,模型2为后路5钉2棒(单侧伤椎固定)模型,模型3为后路6钉2棒(双伤病椎固定)模型,模型4为前路侧前方双棒固定模型,模型5为前后路联合固定模型.分别对于各模型进行前曲、后伸、左侧曲以及右侧旋转的加载,比较各模型的生物力学特性.主要观察指标:试验模型加载额定载荷后不同运动方向的Von Mises应力以及位移.结果:各种模型的运动状态中,应力从钉尖部至钉棒连接处逐渐增大,近钉棒连接处应力大;近端螺钉受到的应力大于远端螺钉受到的应力.在试验的每种运动状态中,模型1的螺钉应力高丁模型2,3,高于模型5(P<0.01).模型5的稳定性好;模型1各个方向位移大,稳定性差.结论:建立了不同固定方式的T_(12)椎体爆裂骨折固定模型,验证了在胸腰段骨折内固定治疗中,应用后路短节段固定结合伤椎固定及经椎弓根植骨治疗胸腰段骨折比单纯后路短节段固定具有更良好的生物力学特性.
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不同收敛条件对骨盆三维有限元模型计算结果的影响
目的:探讨不同收敛条件下骨盆三维有限元计算结果的准确性。方法:利用骨盆环三维有限元模型,给予S_1椎体上终板600 N载荷,载荷为一阶线性加载,步长设置为0.1 s。约束股骨上段6个方向自由度。分别计算静态收敛及6个不同质量放大系数下的动态收敛结果,将体外实验结果作为参照,对不同计算结果的准确性进行比较.结果:静态计算收敛结果接近体外实验结果,与体外实验结果之间线性回归系数为0.88,随着质量放大系数的增加,计算时间缩短,但计算结果准确性下降,当质量放大系数超过3000时,计算结果与静态计算结果差异有显著性意义(P<0.05),回归系数低于0.8.结论:对于接触较为复杂的骨盆有限元模型,如果静态计算无法收敛,可通过动态算法进行近似求解,并利用合理的质量放大系数降低计算成本,但应确保计算结果误差在合理的范围内.
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基于逆向工程的三维仿生膝关节建模
背景:膝关节置换后,要求患肢达到负重,伸屈及旋转活动,稳定性好.这就要求假体的几何形状要与人体相匹配并使其植入后与人体运动规律相一致,才能使假体与周围保留的软组织协调运动,这一切都得依赖于精确的膝关节假体设计与制造.目的:利用计算机辅助技术设计个性化人工膝关节.方法:利用三维镭射扫描和计算机辅助设计技术对人体膝关节进行扫描并对所输出的点云数据进行处理,利用工程软件Geomagic和UG进行膝关节三维实体模型重建.结果与结论:得到了非常精确的膝关节三维模型.为中国人工仿生膝关节的数字化制造,虚拟装配,应力分析,运动分析及模拟手术提供了精确的模型基础.
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计算机辅助种植导航手术在上颌前磨牙区的应用
背景:计算机辅助设计制造的手术导板辅助的不翻瓣种植导航能准确地将种植体植入到术前设计位置,在计算机制造的牙颌模型上手工制作的导板同样能够用在牙槽骨萎缩患者的种植修复中.目的:观察利用自制导板对骨宽度萎缩的上颌前磨牙缺失患者实施不翻瓣种植导航手术临床效果,评价此种方法的临床应用可行性.方法:8例可用骨宽度不充足的上颌前磨牙缺失并需要进行种植义齿修复患者共计10颗患牙,平均前磨牙区牙槽骨高度为(13.45±1.67) mm.通过颅颌面CT扫描、三维重建分析以及快速成型模型模拟手术分析,膜片热压成形方法制作手术导板,精确测量种植区域可用牙槽骨长度、宽度、高度及角度.结果与结论:种植导板固位力合适,取戴方便.与模型模拟手术比较,10颗缺失牙术后种植体植入位置准确,无上颌窦底黏膜穿通、骨壁侧穿、邻牙损伤等并发症,植入手术平均用时为(17.0±5.8) min.除1例患者因上颌窦黏膜下存有断根植入 10 mm长种植体外,其余患者种植体植入长度均>13 mm.患者术后仅有轻度肿痛.植入后3～6个月行烤瓷冠修复.提示在种植手术导板的引导下,应用不翻瓣种植导航手术可将种植体准确植入到可用骨宽度不足的上颌前磨牙缺失患者术前预设计位置,表明其在牙槽骨萎缩、可用骨宽度不足患者治疗中具有较为明显的技术优势与广阔的应用前景.
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股骨颈有限元分析的赋材料属性方法探讨及有效性验证
背景:作者前期实验通过理论推导的方式,认为将骨骼材料属性分为10种即可达到有限元分析的要求,其结论是否与真实相符,有待于与体外力学实验结果进行对比验让.目的:对12侧股骨上段标本进行有限元分析,并与体外力学试验结果对比验证,以探讨骨骼合理的赋材料属性方法.方法:将12侧股骨上段标本进行高速CT薄层扫描,在Mimics中进行三维重建,在Ansys中进行体网格划分.有限元分析组在Mimics中根据灰度值将三维模型材料属性分为2种(密质骨及松质骨)、10,50,100,200,400种后赋予材料属性,在Ansys中进行力学分析并采集股骨颈表面节点力学数值.体外力学实验组将12侧股骨上段标本进行压缩实验,采集与有限元分析组相同的测试点力学数据.结果与结论:单因素方差分析显示,力学实验组与有限元分析2种材料属性组比较,差异无显著性意义(P=0.082);与有限元分析10,50,100,200,400种材料属性组比较,差异无显著性意义(P>0.39).有限元分析各亚组中,2种材料属性组与其余各组比较,差异有显著性意义(P<0.05),10,50,100,200,400种材料属性组间比较,差异无显著性意义(P>0.9).结果提示,赋予骨骼10种材料属性即可达到有限元分析的要求.
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骨折髋支撑关节治疗股骨颈骨折的有限元力学分析
背景:股骨颈骨折除关节置换以外,其他治疗方法均存在股骨颈骨折愈合缓慢,预后差,并发症多,长时间不能负重的问题.课题组研制的骨折髋支撑关节是一种新型、非限制型髋关节支撑器,集骨折固定与关节支撑于一体,攻关年轻人股骨颈骨折并发症防治难题.目的:分析骨折髋支撑关节治疗股骨颈骨折的力学效应.方法:采用AutoCAD导入方式建立3组2D有限元模型,即正常髋关节、股骨颈骨折2钉固定、2钉固定+骨折髋支撑关节模型.选用ANSYS(PLANE82)划分网格二维4节点单元,等同条件下分别完成计算.结果与结论:正常髋关节组、股骨颈骨折2钉固定组的股骨头承重区应力峰值为1.029,1.63 MPa,2钉固定+骨折髋支撑关节组仅为0.1～0.4 MPa.股骨颈骨折2钉固定组的骨折固定螺丝钉应力峰值为37.186 MPa,2钉固定+骨折髋支撑关节组仅为7.474 MPa.结果提示,在多钉固定基础上安装骨折髋支撑关节,可保护股骨颈和股骨头修复愈合,为年轻人股骨颈骨折治疗展现了良好的前景.
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基于正常人体资料建立胸腰椎多椎体压缩性骨折三维有限元模型
将健康志愿者扫描所得的胸腰段210层Dicom格式CT图像直接读入Mimics后,界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理去除冗余数据,三维化处理后获得胸腰段三维几何面网格模型,直接导入Ansys划分体网格,再将体网格转入Mimics根据CT值给于赋值,再次导入Ansys添加韧带、关节约束后生成三维有限元模型.在生成的模型上约束L_1下端、在T_(12)上缘由前向后施加位移载荷,运算求解.将单纯T_(12)L_1双椎体压缩性骨折患者的CT扫描图片按同法建立有限元模型,并将2个骨折模型施加拉力力矩验证其有效性.结果显示,建立了外形逼真、生物力学特性全面的胸腰段脊柱椎体压缩性骨折三维有限元模型.结果提示,应用正常人体原始资料,依据骨折受伤机制构建相应骨折有限元模型的方法科学有效.
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计算机辅助手术导航中持针器标志球的立体匹配
背景:由于噪声、光照变化、遮挡和透视畸变等因素的影响,造成被动式光学定位方法中立体匹配的实现成难点.目的:用改进的圆Hough 变换快速、准确的检测出持针器标志球的两图像平面坐标,简化立体匹配过程.方法:利用改进的圆Hough 变换检测持针器的立体像对,检测出持针器的标志球在两图像平面上的坐标,利用几何知识对持针器的标志球编号.结果与结论:结果表明,改进的圆hough 变换可以快速、准确地测出持针器标志球的图像坐标,通过对持针器的标志球编号可以取代被动式光学定位中立体匹配的环节.
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PUMC Ⅱd_2型青少年特发性脊柱侧凸选择性融合治疗:以有限元法分析佳融合节段
背景:目前国内外尚未成功建立双足直立的灵长类的特发性脊柱侧凸实验动物模型.随着计算机和影像学的飞速发展,现在可以做到通过计算机软件来虚拟人类特发性脊柱侧凸模型,并进行相关的生物力学分析,为临床手术操作提供指导.目的:利用有限元模型验证PUMC Ⅱd_2型特发性脊柱侧凸脊柱融合治疗的佳融合节段.设计、时间及地点:对比观察,于2007-05/2008-05在北京协和医院骨科完成.对象:PUMCⅡd_2脊柱侧凸女性患者1例,为双弯畸形.方法:利用PUMC Ⅱd_2型特发性脊柱侧凸有限元模型(T_5-S),分别模拟上胸弯融合、下腰弯融合和双弯融合方式,在侧弯凹侧端椎椎弓根内分别赋予50,100,150 N载荷,比较上弯端椎T_5和下弯端椎T_(11)在矢状面向上的位移(Z轴正值为矢状面向上的位移,负值为矢状面向下的位移)以及二者之间的差值,以T5位移代表双弯矫形效果,以T_(11)位移代表下腰弯矫形效果,二者差值(T_5～T_(11))代表上胸弯矫形效果.主要观察指标:不同融合节段、不同矫形力下的T_5和T_(11)位移.结果:对于PUMCⅡd_2型侧弯,T_5在Z轴的位移:双弯矫型较单纯上弯或者下弯矫形融合位移大(P<0.01).T_5～T_(11)位移差:双弯矫形>单纯上胸弯矫形>单纯下腰弯矫形(P<0.01).T_(11)在Z轴的位移:双弯矫形>单纯下腰弯矫形>单纯上胸弯矫形(P<0.01).结论:对于PUMCⅡd_2型侧弯,双弯矫型内固定较单纯上弯或者下弯矫形融合内固定效果好;3种载荷对于上胸弯的矫正效果:双弯矫形>单纯上胸弯矫形>单纯下腰弯矫形;3种载荷对于下腰弯的矫正效果:双弯矫形>单纯下腰弯矫形>单纯上胸弯矫形.三维有限元分析法可以作为一种有效的方法应用于脊柱侧弯畸形矫正的生物力学分析,为临床开创了一种虚拟、无创的验证方式,可以优化手术方案.
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四种经椎间孔腰椎间融合固定方式的三维有限元分析
背景:腰椎间融合固定究竟采用单侧还是双侧椎弓根钉固定以及单枚还足双枚融合器置入融合存在较大争议.目的:建立L4～L5经椎间孔腰椎间4种不同融合固定方式的三维有限元模型,观察其稳定性.设计、时间及地点:4组三维模型的对比观察,于2008-04/07在南京航空航天大学材料动力学实验审完成.材料:于东南大学医学院中大医院CT室选取1名健康自愿者腰椎CT图像,男性,32岁,以64排螺旋cT机从腰4上缘到腰5下缘连续(L4～L5)进行横切扫描,得到层厚为1mm的连续断面图像.方法:对断层CT影像进行预处理后,利用建模软件UG4.0和有限元软件ANSYS10.0建立经椎间孔腰椎间不同融合固定方式的三维有限元模型.模型1:单枚融合器(矩形,斜向45°)+双侧椎弓根钉;模型2:单枚融合器(矩形,斜向45°)+单侧椎弓根钉;模型3:双枚融合器(圆形椎间融合器)+双侧椎弓根钉;模型4:双枚融合器(圆形椎间融合器)+单侧椎弓根钉.主要观察指标:每种模型的螺钉、融合器应力及模犁位移变化.结果;4种模型中,螺钉和融合器应力在不同的运动状态下内内固定的单双侧和融合器的形状位置不同而有差异.使用单侧内固定者,在螺钉上的应力以及融合器上的应力较双侧固定者高,但差异无显著性意义(P>0.05).在不同的运动状态下4种模型L4的位移差异无显著性意义(P>0.05).结论:三维有限元分析结合临床实践,单侧椎弓根螺钉内固定加单枚融合器(矩形,斜向45°)置入融合是目前微创经椎间孔腰椎间融合固定的较好术式.
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机器人辅助股骨干骨折复位
背景:机器人的机械手具有精确的空间定位以及重复运动轨迹的能力,机械手辅助股骨干骨折复位带来的将是一种一次性,轻柔的,精确调节的,全新的精确复位过程,这种复位过程可以使骨折复位所导致的全身和局部反应降到低,理论上是一种真正的微创的骨折复位.目的:介绍一种机器人辅助股骨骨折复位系统以及初步实验结果.方法:实验在德国汉诺威医学院完成.将不带软组织的成人正常股骨标本近端、远端以及机械臂上分别固定有3个红外线珠子的动态追踪标志DRB,Y型DRB牢固安装在近侧股骨,T型DRB牢固安装在远侧股骨,SMSDRB固定在机械臂上.卸下DRB,在Zwick/Roell机器上通过三点折弯造成股骨骨折,骨折区域3D透视成像,利用导航系统虚拟真实骨折断端的图像,通过机械手带动骨折远端进行主-仆型的机械手骨折复位.观察骨折断端的侧方移位误差,外翻/内翻成角误差,旋转误差.结果与结论:与传统的骨折复位比较,这种机器人辅助骨折复位系统运行良好,对简单骨折复位效果满意,平均复位时间4 min34 s,侧方移位平均误差1.61 mm,外翻/内翻成角平均误差1.09°,前/后成角平均误差1.42°,内/外旋转平均误差1.37°;由于复杂骨折主折块间不能直接对合,复位结果稍差,但是即便是非常复杂的骨折,旋转误差还是在4°以下.提示此种机器人辅助骨折复位系统运行良好,复位结果满意,有望形成一个标准的完整的机器人骨折复位解决平台.
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个体化股骨模型的建立
背景:个体化股骨模型的建立,能够准确、完整地描述出股骨的立体结构,有助于测量股骨的解剖形态,这样的模型有统一的密度和机械性能,去除了个体之间性别、年龄、种族、骨质疏松程度、是否有骨病等混杂因素,用于生物力学测试更有意义.目的:寻找一种精确建立个体化股骨模型的方法.方法:在天津医科大学总医院选取健康男性志愿者1例,采用16排螺旋CT对全股骨沿横断面连续扫描,在Mimics中重建符合Dicom 3.0标准的CT图像,用UG软件对工件进行分型,用cimatron数控编程软件排序,而后设置数控加工原点坐标系,装夹、校正工件并生成刀轨制作出模具.通过点云的方法比较模具制作出的模型和原股骨.结果及结论:制作出了个体化的股骨模型,点云比较结果显示误差在允许的范围内.此建立股骨模型的方法是可取的,能够实现预定的要求.
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CT扫描结合逆向工程软件建立下胸椎三维有限元模型
背景:脊柱生物力学的研究有赖于三维有限元模型的建立,对于下胸椎的生物力学研究,由于其结构特点,使其对有限元模型的准确性和精确性要求更高.目前脊柱有限元研究通常以颈、腰段为多见,对于下胸段方面的研究,目前文献报道不多.目的:通过CT扫描结合逆向工程软件建立下胸椎三维有限元模型,为其进一步生物力学研究奠定基础.方法:选择内蒙古医学院附属医院影像科标本1例,志愿者无脊柱疾患和骨质疏松,对试验方案知情同意.利用非脊柱疾患病例CT资料,利用医学图像处理软件Mimics实现直接从CT图像中提取数据,再利用逆向工程技术平台Geomagic,在可视化的界面下对模型进行修改,建立人完整下胸椎、椎间盘及韧带的有限元模型.结果及结论:利用Mimics,Geomagic等逆向工程软件,结合CT技术对人下胸椎进行了三维重建,精确再现了下胸椎外形解剖特征,实现了对椎体组织内部不同结构的精细区分,下胸椎共具有112 540个四面体单元.提示此方法可以提高建模的效率和可操作性,能够成功的建立符合实验要求的下胸椎有限元模型.
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电磁导航支气管镜引导定位的临床应用
电磁导航支气管镜集螺旋CT仿真支气管镜与传统可弯曲支气管镜的优点于一身,实时引导定位,准确到达常规支气管镜无法到达的肺外周病灶和纵隔淋巴结获取标本行病理检查,在未来还可以进行介入治疗(如局部注射药物或行放射性粒子植入等).其确诊率优于支气管内超声等设备非实时引导的经支气管针吸活检术,体现了一体化的微创技术及医学可视化的优点,是介入性肺病学发展历史上的一个巨大的飞跃.日前,国内临床应用电磁导航支气管镜引导定位技术尚处于起步阶段,如何进一步将此技术临床中发挥作用,提岛其效价比值,值得探讨.
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生物电阻抗技术建立运动人体特征性参数相关模型的价值
生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性及其变化提取人体生物医学信息的一种无损伤检测技术.文章介绍了生物电阻抗技术的基本原理和研究方法,综述该技术的应用进展,分析其应用于运动人体科学的可行性.生物电阻抗技术在人体成分的测量、血液及血流动力学研究领域中的应用.可作为运动人体科学研究的借鉴;电阻抗断层图像技术为无创、实时、动态地监测运动人体器官与组织的结构和功能提供了可行性.可采取的研究策略是建立运动人体的特征性参数与生物电阻抗之间稳定町靠的相关模型或回归方程,运用统计学规律进行推断性研究.
