基于3D打印技术的复杂胫骨平台骨折内固定手术数字化设计

目的探讨3D打印技术结合数字化技术在复杂胫骨平台内固定植入方案设计中的应用价值。方法收集临床复杂胫骨平台骨折病例以及常用胫骨平台钢板的CT数据,在Mimics中进行骨折三维重建、虚拟复位以及建立钢板三维模型库,然后进行内固定方案的数字化设计。3D打印出骨折复位模型以及钢板模型,在3D模型上按照数字化设计内固定方案进行模拟手术。比较数字化虚拟手术与3D模型模拟手术的内固定植入效果。结果 3D模型模拟手术的手术效果与内固定数字化设计方案的手术效果一致,二者螺钉长度无明显差异(t=-1.594;v=12;P=0.137)。结论 3D打印技术结合数字化设计能有效的提高复杂胫骨平台骨折内固定植入效果。

基于CT灰度赋值的有限元模型建立及其在截骨矫形中的应用

目的探索一种新的有限元建模方法以解决传统建模方法在截骨矫形应用中难以实现原位CT灰度材料赋值的问题。方法采用CT薄层扫描方式采集1例胫骨外旋扭转畸形的成人断层影像数据,利用Mimics软件对采集的胫骨CT数据进行三维重建并生成实体模型,结合CAD软件设计截骨矫形定位轴线、旋转角度及参考平面并模拟截骨,将截骨后胫骨模型各部导入有限元前处理软件中行网格划分并输出,重新在Mimics软件中输入CT图像的灰度-材料赋值关系公式,分别对网格模型进行非均匀赋值并得到胫骨各部分的赋值模型,最后将各部分模型连同参考轴、参考平面再次在前处理软件中完成截骨后的装配组合,得到截骨后完整的胫骨有限元模型,并提交模型到有限元求解器完成计算。结果采用本方法建立的胫骨截骨矫形模型同样具备基于CT灰度的非均匀材料属性,并可用于截骨术后结构的有限元分析。结论本研究提出的有限元建模方法既保留了基于CT灰度的材料赋值方法的准确性,又能解决传统赋值方法难以实现的骨骼模型部件之间空间变换问题,从而为矫形外科提供高效、灵活和准确的计算力学分析手段。

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。

正常青年人群腕管正中神经MRI成像的断层解剖学测量

目的通过我国青年人群正中神经的断层解剖测量,为正中神经形态学研究和腕管综合征(CTS)的诊治提供参考。方法共采集28例志愿者56侧腕部MRI数据,测量计算正中神经横截面积(CSA)、扁平率(MNFR)和膨胀率(MNSR)并进行性别之间、双侧肢体间比较,再将上述指标分别与年龄、身高、体重进行相关分析。结果正中神经CSA、MNFR和MNSR在双侧肢体之间无统计学差异;CSA和MNSR在性别之间无统计学差异;而女性MNFR显著大于男性,差异具有统计学意义,而MNFR与身高存在着统计学负相关性。结论基于MRI(1.5T)正中神经的解剖测量具有可靠和精度高的特点;国人正中神经CSA存在着性别间差异,和西方人CSA相比差异较大,CSA和身高存在负相关性;CTS的MRI诊断标准应与国人解剖参数相结合。

全腰椎非线性有限元模型的建立与有效性验证

目的为人体腰椎生物力学有限元分析建立有效的全腰椎非线性数字仿真模型。方法采集一名25岁的健康男性腰椎(L1~5)CT影像数据,依次通过Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、UG8.5、Hypermesh 13.0、Abaqus6.14-4五个软件建立模型,赋予各组织对应的属性。首先进行网格收敛性测试,选取合适的网格划分方案以提高分析效率。然后通过给模型施加不同的力矩载荷来模拟腰椎的6种运动(前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转),计算腰椎各功能节段(functional spinal unit,FSU)的活动度(range of motion,ROM)。结果模型得出的结果与体外试验的数据类似,两者变化趋势规律一致。结论本研究使用的全腰椎非线性有限元模型的建立与验证方法可用于未来脊柱相关疾病的建模与分析。

定位装置辅助下四肢深部金属异物的精准定位及取出

目的探讨新型定位装置在四肢深部金属异物精准定位及取出术中的应用。方法选取成人尸体防腐上、下肢标本10侧,置入φ2.0 mm金属球造模65例,分为实验组和对照组,前者为65例异物的实际定位结果,后者为理论上65例异物的定位结果。在定位装置辅助下定位,之后进行薄层CT扫描和三维重建,测量定位偏差距离(D1),统计不同精度等级的合格定位数,进行卡方检验,获得定位装置的定位精度,记录透视时间(T1)和异物取出时间(T2)。结果65例金属异物全部实现精准定位并取出;T1=(46.06±18.44)s,T2=(177.10±65.87)s;该定位装置的定位精度为2.3 mm。结论借助定位装置可实现四肢深部金属异物的精准定位及取出。

腰椎智能医学图像建模系统的构建及精度检验

目的构建腰椎智能医学图像建模系统,替代分析人员完成有限元建模过程中对腰椎活动度的繁复计算工作。方法利用python语言构建一个附和系统,包括录制程序与回放程序。通过Geomagic的偏差分析功能评估智能建模与人工建模二者的偏差分布,并分别构建腰椎的非线性有限元模型,验证模型对有限元分析结果的影响。结果本课题建立智能腰椎复位系统,成功构建腰椎体的三维模型。与人工建模进行偏差分析,超过98%的区域0偏差。有限元活动度存在些许差异,经配对t检验,差异无统计学意义(P=0.2)。结论利用智能建模系统构建的三维腰椎模型,精确度较高且对有限元分析结果未产生影响。

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。

桡骨远端3D打印模型精度的三维偏差分析

目的探讨健侧3D打印模型能否指导桡骨远端骨折的精准复位，尤其是模型关节面精度能否满足临床治疗需求。方法2016年11月至12月期间采集15名正常志愿者（男11例，女4例；平均年龄为22．8岁）的双侧桡骨CT扫描数据。对桡骨远端1／3的骨性结构进行三维重建，将左侧桡骨模型镜像重建并进行3D打印，通过光学扫描仪获取3D打印模型的数据（测试模型组），并与右侧桡骨远端数据（参考模型组）进行三维偏差分析。结果两组模型最大体积差异为6．86％；参考模型组和测试模型组体积平均分别为（19165．82±3250．50）、（19310．65±3305．15）mm3，差异无统计学意义（t=-0．941，P=0．363）。两组模型最大表面积差异为3．84％；参考模型组和测试模型组表面积平均分别为（5075．80±549．34）、（5139．43±572．48）mm2，差异有统计学意义（t=-2．451，P=0．028）。三维偏差分析结果显示：平均正偏差为（0．37±0．10）mm，平均负偏差为（0．30±0．07）mm。模型间差异的最大均方根值为0．65。3D偏差主要分布在1．0mm以内区间，分布频率为96．27％。结论高精度设备制备的健侧桡骨远端镜像3D打印模型可以指导成人桡骨远端骨折的精准重建。临床手术中，可以采用精确、可靠的健侧桡骨镜像3D打印模型作为参考对象指导桡骨远端骨折的精准复位与重建。