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3D打印导航模板引导双侧下颈椎前路椎弓根螺钉置钉的可行性
目的:通过3D打印技术及骨科数字化技术制作下颈椎前路椎弓根螺钉置钉导航模板,观察模板辅助下置钉的准确性.方法:选取正常成人颈椎湿性标本10具(男、女各5具),将椎前软组织剔除,采用64排薄层CT扫描后获取其DICOM格式数据,导入Mimics软件后三维建模并为颈前路椎弓根螺钉选取理想钉道,设计建立螺钉导航模板后导出其STL数据,通过3D打印机快速打印成型.在导航导板引导下进行下颈椎前路椎弓根螺钉置钉,通过X线及CT评价螺钉的准确性.结果:10具尸体分别于C3～T1每节段置入2枚螺钉,共计120枚,根据螺钉的位置将其分为4级:0级,螺钉完全在椎弓根内,共115枚;1级,螺钉穿破椎弓根皮质,穿出部分小于螺钉直径的25％,1枚;2级,螺钉穿破椎弓根皮质,穿出部分为螺钉直径的25％～50％,3枚;3级,螺钉穿出椎弓根部分大于螺钉直径的50％,1枚.5枚穿破椎弓根皮质者2枚穿破椎弓根内侧皮质,3枚穿破外侧皮质,总体准确性为95.8％.结论:在湿性尸体颈椎标本上应用3D打印及骨科数字化技术制作的导航模板辅助行下颈椎前路椎弓根螺钉置钉的准确性高,为临床应用提供了依据.
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踝关节肌腱及骨折的三维可视化初步研究
目的 利用图像处理软件对踝关节韧带及骨折建可视化数字模型.方法 对1例踝关节行螺旋CT扫描,经剪切、分割、表面重建及体绘制等步骤,对踝关节的肌腱和内固定物进行三维重建,获得立体形态的骨折块、内置物与软组织之间的位置结构.结果 重建的三维结构可以多彩色、透明或任意组合显示,整体显示清晰、实体感强,可清楚地观察内置物位置形态,特别是可以立体直观地显示骨折块复位的程度,骨折与周围肌腱的关系,并可进行精确测量.结论 踝关节软组织及骨折三维重建对基础研究、临床试验、手术规划及教学具有重要价值.
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踝关节胫骨远端关节面缺损生物力学特征的三维有限元分析
背景：研究发现三维有限元分析可以用于踝关节生物力学研究，但关于胫骨远端关节面缺损方面的研究不多。
目的：对踝关节胫骨远端关节面缺损的生物力学特征进行三维有限元分析，为踝关节损伤相关疾病的发生机制提供依据。
方法：建立踝关节的三维有限元模型，设定不同直径的胫骨远端关节面缺损，观察趾屈14°时载荷1400 N胫骨远端关节面的应力峰值，中立位时载荷700 N胫骨远端关节面的应力峰值，背屈10°时载荷2100 N胫骨远端关节面的应力峰值，以及胫骨远端关节面不同缺损直径时不同体位胫距关节面的接触面积。结果与结论：①载荷1400 N趾屈14°：胫骨远端关节面前外象限应力峰值在关节面缺损直径为8 mm时小，关节面缺损直径为16 mm时大；前内象限应力峰值在关节面缺损直径为12 mm时小，关节面缺损直径在16 mm时大；后外象限应力峰值在关节面缺损直径为12 mm时小；后内象限应力峰值在关节面缺损直径为0 mm时小，关节面缺损直径为16 mm时应力峰值大；②载荷700 N中立位时，胫骨远端关节面前外、前内、后外和后内象限应力峰值均随着关节面缺损直径的增加而增加，在关节面缺损直径为16 mm时4个象限的应力峰值大；③载荷2100 N背屈10°时在关节面缺损直径为16 mm时4个象限的胫骨远端关节面应力峰值均大；④结果表明，胫骨远端关节面缺损直径不超过12 mm对踝关节功能的影响不大，胫骨远端关节面缺损直径超过12 mm时对踝关节功能的影响比较大。 -
三角股骨近端髓内钉固定不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析
背景：以防旋型股骨近端髓内钉以及亚洲型防旋型股骨近端髓内钉(PFNA-Ⅱ)为代表的新型髓内钉治疗是目前股骨转子间骨折中常用的内固定方式，但仍然无法避免应力集中、内固定失败的风险。
目的：通过有限元方法对新研制的三角股骨近端髓内钉固定不稳定型股骨转子间骨折后的生物力学性能进行分析，并与PFNA-Ⅱ进行对比，检验其设计的合理性。
方法：利用股骨CT数据建立股骨近端的三维有限元模型，在此基础上制作Evans Ⅳ型股骨转子间骨折的三维有限元模型，对骨折模型分别使用三角股骨近端髓内钉和PFNA-Ⅱ固定。比较2种髓内钉内固定后在同一载荷下的内固定应力分布和生物力学稳定性。
结果与结论：①三角股骨近端髓内钉和PFNA-Ⅱ固定模型的应力集中均位于螺旋刀片与主钉交界部位；②PFNA-Ⅱ的大应力为214.0 MPa，三角股骨近端髓内钉大应力为196.2 MPa；PFNA-Ⅱ固定的股骨近端位移明显大于三角股骨近端髓内钉，分别为5.37 mm和5.18 mm；③结果提示，三角股骨近端髓内钉固定Evans Ⅳ型股骨转子间骨折比PFNA-Ⅱ具有优势，固定强度更好，不容易出现内固定断裂，符合股骨转子间骨折治疗的要求。 -
成人股骨头缺血坏死并软骨下骨折:平片、CT与MRI和病理结果的对照研究
背景:软骨下骨折是成人股骨头缺血坏死的重要合并症,对患者的治疗和预后有重要影响,然而有关软骨下骨折的病理及影像学表现尚缺乏深入的研究.目的:比较X射线平片、CT和MRI对诊断股骨头缺血坏死并软骨下骨折的敏感性.方法:选择临床确诊的股骨头缺血坏死患者82例(132髋),依次行X射线、CT和MRI检查,并对其中手术切除的16个股骨头标本进行切片、脱钙和苏木精-伊红染色,然后在显微镜下进行观察.结果与结论:132髋中,平片或CT确诊软骨下骨折72髋,X射线平片51髋,CT 60髋,MRI 33髋.与CT相比,MRI敏感性和特异性分别为36%和100%,平片敏感性和特异性分别为70%和96%.CT诊断股骨头缺血坏死并软骨下骨折优于MRI(x2=10.95,P<0.05).本组16个股骨头大体标本与影像学对照研究显示,软骨下骨折区可见液体积聚和纤维肉芽组织增生,对应于X射线和CT上软骨下裂隙状透亮影,与上述病理过程是一致的.结果说明CT显示股骨头缺血坏死并软骨下骨折优于平片或MRI;MRI有助于观察股骨头缺血坏死后软骨下骨折的伴随征象,尤其T2WI+脂肪抑制,可评价骨折处的液体.CT检查实属X射线的更精细断层扫描.
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MRI检查对半月板损伤类型的评价
背景:MRI诊断半月板损伤的准确性可达80%～100%,但在临床上也存在一定程度的假阳性和假阴性.目的:通过半月板损伤的MRI检查及关节镜,探讨半月板不同损伤类型的不同MRI表现.方法:选择2003-01/2008-12因膝关节损伤行术前MRI检查患者212例,由放射科及骨科的高级职称医师共同阅片,预测半月板损伤及其损伤形态.由主任医师行关节镜探查,以术中所发现的半月板损伤作为诊断的金标准,对比两者准确性,统计MRI诊断的准确性.结果与结论:212例患者(230个膝关节)中MRI检查可疑半月板损伤215膝,由关节镜探查术证实半月板损伤213膝,MRI检查对半月板损伤诊断的敏感度为93.5%,特异度为64 7%,准确度为93.0%.发现MRI诊断半月板桶柄样损伤的敏感度较高,对半月板轻微撕裂伤易出现漏诊,对外侧半月板损伤诊断的假阳性较多.临床实际操作时,若半月板损伤表现为Ⅲ级信号、损伤后移位或有关节囊分离等情况,则提示半月板不稳定,应给予关节镜探查或进一步的手术治疗以免遗漏.
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踝关节内翻的有限元力学分析
背景:近年来,骨科生物力学领域的研究不断成熟和发展,研究方法多采用有限元分析软件.作者检索文献发现国内外学者对于踝关节的研究也日益增多,但是所见研究均为静态状态,而且对于非中立位相踝关节损伤的研究鲜有报道.目的:对已建立的踝关节数字模型进行有限元力学分析,观察踝关节在不同内翻角度时,其组成骨在不同空间维度上的位移、剪切力变化及应力变化规律,探讨内翻时踝关节的损伤机制.方法:经Mimics、Geomagic和Ansys处理后,生成的踝关节三维数字模型导入软件Ansys中,经过约束条件、施加载荷、求解试算等阶段,对不同内翻角度时的踝关节各组成骨进行有限元分析.结果与结论:实验模拟了踝关节内翻角度在10°,15°,20°,25°,30°,45°,60°,70°,80°,85°的10种不同工况,分别对踝关节进行有限元力学分析,得到其各组成骨在不同空间维度上发生的位移、剪切力和应力分布情况.分析数据,发现其所发生位移、所受应力及剪切力均随着内翻角度的增加不断增加,大应力分布区即外踝、距骨滑车髁间线外侧部,为临床上常见发生骨折的部位.随着内翻角度的增加,距骨x轴上发生的位移增加,从而影响整个踝关节的应力分布.
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人工寰齿关节结构优化设计及仿真分析
背景：有研究表明传统的各种寰枢关节模型具有良好的生物力学特性，然而不能完全满足人体的要求。基于前人研究的基础，拟通过对寰枢椎关节的要求进行分析，探讨出一种不仅能预防寰枢关节不稳，而且能使枢椎部件具有一定的灵活性的结构，使之更满足人体的需要。
目的：利用有限元法分析颅颈交界处寰枢椎外侧关节受扭矩后变化，利用静力学分析探讨寰齿关节模型的三维运动力学性能和疲劳寿命以及安全系数。
方法：利用三维造型和有限元软件建立寰齿关节三维有限元模型，对优化后的结构在静力学分析里面进行疲劳分析，围绕模型中心轴施加0.5 N?m的转矩，通过对仿真分析的结果进行分析，从而评估优化后的寰齿关节模型的性能和寿命。
结果与结论：传统的寰齿关节模型是通过销钉固定在体内，枢椎不能转动且外形有缺陷，优化后的结构不仅能使寰齿关节保持良好的稳定性又能使其具有关节运动功能，限位块的添加使其有一定的转动角度且不至于超出限制的旋转角度。由于实际要求，应考虑到操作方便、安置牢固、较少甚至消除副损伤，寰齿关节应选用钛合金材质，各部分零件尺寸的选取都需要达到实际要求。结果说明，优化后的寰齿关节模型实现了创新性和实用性的要求，通过实验证明在机械学上是可行的，优化后的结构各项指数均达到要求。 -
基于数字图像处理技术测量松质骨孔隙率的方法
背景:传统的松质骨孔隙率检测方法如直接法、气体膨胀法、压汞法、密度法和吸渗法等测量方法存在效率低、劳动强度大和工作繁杂等不足.目的:利用MATLAB图像处理松质骨切片,计算松质骨孔隙率.方法:运用MATLAB处理图像的方法,通过对染色后的松质骨切片图像进行去除灯光不均、图像增强、二值化、移除干扰目标等处理,后得到二值化的二维矩阵.结果与结论:切片图像由骨质和孔隙构成,对切片图像进行分割并计算孔隙率.主要解决了图像信息中由光照强度不均和其他干扰而影响统计的问题.利用MATLAB骨切片图像处理与分析方法不仅可以用来进行松质骨孔隙率的测量,而且能用来研究孔隙率的分布和变化规律.选取图像不同区域计算出各个选取区域孔隙率大小,用来分析切片孔隙分布的情况,这对于研究松质骨结构提供了一种方法与思路.
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人工髋关节活体有限元建模及力学分析
背景:有限元分析为广泛地应用于人工髋关节置换的研究,能够反映人工髋关节置换前后的应力分布情况.目的:通过CT扫描图像建立人工髋关节置换后的三维有限元模型,分析假体和股骨的力学分布,提供研究活体内假体的评估方法.方法:选非水泥型人工髋关节假体置换后患者1例,64排CT扫描髋关节,通过三维建模软件建立三维有限元模型,加载载荷1 500 N,分析假体和股骨的应力分布,并与体外建模和正常股骨有限元模型比较.结果与结论:应用患者人工髋关节置换后CT扫描图像建立的三维有限元模型,加载后应力主要分布在股骨干上端1/3处,在股骨假体柄颈结合处,假体外侧,假体的远端与股骨接触处,是假体置换后应力在体内传递的真实反映.结果说明活体髋关节建模优于体外建模,不改变假体在体内的位置,人工髋关节活体建模是假体评估新方法.
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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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股骨远端微创锁定内固定钢板固定参数的三维数字化测量
背景 有研究表明股骨远端微创锁定内固定钢板治疗股骨远端骨折具有较好的疗效,但其设计参数多为参照西方人种数据,且其产品规格有限.目的 对成年中国人中远端股骨微创锁定内固定钢板手术相关解剖CT 数据进行数字化测量.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的成人CT 连续扫描数据15 例,利用Mimics 10.01 软件进行三维重建,在三维立体图形中测量股骨远端宽;股骨外侧髁前后径;股骨外侧髁基底部宽;股骨外侧髁干角;自股骨大转子下缘5 cm至外上髁每隔5 cm划分为1 段,共分为5 段,分别测量每段中部股骨内外侧皮质及髓腔横径.结果与结论 成年中国人中远端股骨微创锁定内固定钢板固定后,股骨远端左右侧宽分别为(84.80±1.27) mm和(84.60±1.40) mm;股骨外侧髁前后径分别为(67.36±1.41) mm和(66.27±1.42) mm;股骨外侧髁基底部宽分别为(42.53±3.42) mm和(42.98±1.25) mm;股骨外侧髁干角分别为(7.58±0.69)°和(7.66±0.79)°,左右侧别间差异均无显著性意义.
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中国数字人CT数据颈椎运动节段有限元模型的建立
背景:课题组前期实验已建立了数字人体多个部位的骨骼有限元力学模型,但如何能在保证模型收敛的情况下提高模型精度与有效性,有待进一步研究.目的:建立精确的数字力学人颈椎运动节段模型.方法:采用中国数字人男1号数据,使用经Materialise 公司授权试用的MIMICS13.1医学图像重建软件进行三维有限元建模,其结果导入ABAQUS6.7有限元系统进行处理,观察试运行结果,对模型的有效性进行验证.结果与结论:在大型有限元软件ABAQUS6.7中调用颈椎运动节段三维模型的".lis"文件,获得颈椎运动节段的有限元模型,此模型共有节点10 465个,单元52 752个,模型经验证有效.结果证实,实验成功建立了高度拟真的数字力学人颈椎运动节段有限元模型.
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距骨缺血性坏死的有限元分析
背景:对距骨缺血性坏死的具体临床治疗,目前仍有很大争议.目的:观察不同程度距骨坏死时,距骨滑车关节面上的应力及其分布变化.方法:利用8具踝关节标本建立踝关节三维有限元模型,通过改变各模型距骨坏死的体积分析距骨滑车关节面压应力与其分布的变化规律,计算出距骨缺血性坏死可能诱发踝足创伤性关节炎或出现距骨塌陷的临界坏死体积.结果与结论:实验成功建立了踝关节三维有限元模型.分析发现距骨内、外侧坏死程度比较小时,距骨滑车关节面应力分布变化不大;当内侧距骨坏死体积达到(26.6±1.5)%,外侧距骨坏死体积达到(35.0±2.5)%时,距骨坏死组织与正常骨组织边界区域出现应力集中的现象,其应力区域呈不规则形,提示,此时诱发踝足创伤性关节炎或发生距骨体塌陷的危险性很高,应手术治疗.
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建立正常人C2～7的三维有限元模型
背景:随着计算机技术的发展,颈椎生物力学研究不再局限于动物或人体尸体实验,计算机模型可以进行更准确的生物力学研究.目的:存已有研究的基础上,建立人体C2～7三维有限元模型,以期为颈椎前路分节段减压融合的生物力学研究提供参考数据.方法:选择1名28岁健康男性志愿者为观察对象,无明显的颈椎病史,扫描前先拍摄颈椎正侧位、斜位、过伸过屈位X射线片以排除颈椎病变.首先根据志愿者CT扫描图片,采用计算机辅助设计数据处理技术,输入相关的材料特性,构建C2～7三维有限元模型.模型重建采用先进的Geomagics系统,可以准确模拟颈椎结构,有限元部分则采用广泛使用的ANSYS系统.其次在1.8 N·m作用力下,观察节段运动与力-位移反应,并与国外的实验结果对比,在前屈、后伸、侧弯和旋转等4种工况(载荷状态)下对模型进行验证.结果与结论:整个模型包括C2～7六个椎体、C2/3～6/7五个椎间盘以及后部结构与主要韧带,共有23 348个节点和215 749个单元.在模拟外力的作用下,模型前屈、后伸、侧弯和旋转工况下的颈椎活动度与以往实验模型结果数据基本吻合.提示所建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验,进行生物力学分析.
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基于CT图像构建的腰椎三维有限元模型
背景:与实验生物力学研究相比,有限元分析方法具有独特的优越性.如何准确地构建腰椎节段有限元模型是有限元分析的关键.目的:建立人体腰椎三维有限元模型用于生物力学分析.方法:利用GE 64排螺旋CT对成年男性腰部进行扫描,得到351层DICOM格式断层图像,应用Mimics软件进行三维重建,将所得模型以.stl格式导入Solidworks,生成实体模型,后导入Ansys赋予材料属性并划分网格,得到便于分析的有限元模型.与体外生物力学实验数据对比,完成模型验证.结果与结论:成功地建立了表面光滑、外观逼真的腰椎有限元模型.该模型共有144 411个节点,88 742个单元,具有较高的准确性,且可以方便地施加约束和载荷,进行有限元分析.为临床腰椎三维有限元模型建立提供了一种精确而实用的方法,所建模型可以用来模拟腰椎生物力学实验.
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基于CT数据构建人体腰骶椎的有限元模型
背景:目前有限元模型的方法主要是基于医学图像的建模方法,可直接反映人体腰椎真实的几何形态.目的:以CT影像数据为基础,利用图像处理软件建立L1~S5节段的腰骶椎三维有限元模型.方法:选取1名男性健康志愿者,采用各向同性分辨率 0.625 mm 薄层CT扫描数据,以Dicom 格式导入 Mimics 10.0软件,三维化处理后获得腰骶段三维几何面网格模型,通过Geomagic studio 12.0软件曲面化、HyperMesh 10.0软件网格划分,终导入Abaqus10.1软件生成腰骶椎三维有限元模型.结果与结论:建立了精确的人体腰骶椎三维有限元模型并验证有效.应用精细的影像学数据,通过软件进行图像处理,快捷有效完成了脊柱模型的构建.此完整的多节段模型可方便考察临床疾病和外科固定对脊柱整体的影响,弥补了目前单个运动节段模型的缺陷.
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基于CT图像和逆向工程方法建立正常人体腰椎三维有限元模型
背景:利用有限元法可以分析静止及活动时正常脊柱的生物力学,并预测应力时的风险.目的:建立腰椎L3~L5三维有限元模型.方法:选取一名健康30岁男性志愿者L3~L5薄层CT扫描图像,使用工具软件 Geomagic 和 Ansys,应用逆向工程原理构建三维有限元模型,设定边界条件进行加载,记录角位移及应力集中部位,计算模型的平均刚度.结果与结论:建立L3~L5椎体三维有限元模型,包括椎体、韧带、椎间盘、纤维环和小关节,模型总单元数51 905个,通过定量和定性两方面验证模型有效.说明所建立的L3~L5椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特征,可用于进一步脊柱生物力学研究.
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基于数字模型设计髋臼后柱拉力螺钉固定导向器的可行性
背景：髋臼前后柱骨折通常行切开复位钢板内固定修复效果较好，但此术式切口长，创伤大，出血多，手术时间较长。髋臼前后柱骨折应用松质骨螺钉固定早在1988年即被提出，且具有手术创伤小、骨折愈合快等优点。
目的：通过计算机数字化技术建立髋臼骨折拉力钉固定数字模型，由此设计出髋臼后柱拉力螺钉进针导向装置，并应用于临床。
方法：选取吉林医药学院附属医院自2012年6月至2015年6月行骨盆螺旋CT扫描的82例数据资料，行骨盆髋臼三维模型重建，根据资料数据制定髋臼后柱模拟置入拉力螺钉方案，并应用数字化技术进行模拟操作，由此设计髋臼后柱拉力螺钉进针导向装置，对导向装置进行体外髂骨标本测试，总结装置应用经验并终应用于临床。
结果与结论：①82例虚拟拉力螺钉置入全部获得成功，测得男性髂前上棘及髂后上棘骨突间距离为(158.13±6.94) mm，女性为(152.45±7.41) mm；虚拟拉力螺钉长度男性为(140.12±7.48) mm，女性为(126.37±9.17) mm；虚拟拉力螺钉直径男性为(12.21±1.86) mm，女性为(10.38±2.01) mm；②导向装置体外试验全部成功，其中准确定位8例，良好定位2例，优良率100%；③导向装置临床应用成功，术后患者无特殊不适，术后复查CT结果满意；④结果提示，通过髂前上棘、髂后上棘骨性突出点连线中点与坐骨结节连线置入螺钉固定髋臼后柱骨折是可行的，由此设计出的导航装置置钉成功率高，该导航装置在髋臼后柱骨折中可给予骨折固定更强的稳定性，效果可靠。 -
模拟腰部推拿手法建立"腰-盆-髋"有限元模型
背景:对局部椎体或整个脊柱进行推拿手法的有限元分析具有一定的局限性.目的:通过建立"腰-盆-髋"有限元模型对腰部推拿手法进行相关生物力学分析.方法:利用螺旋CT 数据通过Mimics 10.01 建立具有高度几何相似性的腰椎、骨盆和股骨近端复合体骨骼的面模型,利用geomagic9精修模型,在hypermesh10.0中划分网格,添加椎间盘和主要韧带.并对有限元模型各部件进行材料属性赋值.利用有限元分析软件模拟腰椎推拿手法三工况加载,计算特征部位位移、大应变及应力.结果与结论:有限元模型在三工况载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反映"腰-盆-髋"特有的力学结构特性,模型的仿真性较好.在近似的几何外形下,据生物力学资料报道的材料赋值建模保证了有限元模型计算的正确性;模拟接近生理状况下的边界及载荷条件进行计算可以确保结果的准确性.
