基于亚洲人种解剖学特征的膝关节假体设计

目的针对目前市面上膝关节假体大多基于高加索人结构特征设计的现状,本研究旨在设计一种基于亚洲人种膝关节解剖学特征的膝关节假体,以提高术后满意度。方法本研究基于亚洲人种膝关节MRI数据,通过特征提取与统计分析,指出亚洲人种膝关节相对于高加索人种具有显著性差异。采用有界双调和权重与迭代最近点算法相结合的网格配准方法对膝关节进行参数化重构和模型配准。采用PCA对重构模型进行点云坐标降维处理,构建亚洲人种膝关节平均模型,提取影响膝关节形状主成分因素。根据分析结果设计膝关节假体,基于人体肌骨数字孪生模型进行适配度分析、运动学和动力学仿真分析,将其与自然膝关节和市面主流膝关节假体产品进行比较以验证本研究的假体设计。结果本研究所设计的膝关节假体与亚洲人种膝关节具有更好的适配度,更符合亚洲人种膝关节生理特点。根据基于高保真膝关节有限元的运动学性能和动力学性能仿真结果,本研究设计假体优于所对比的其他产品,更接近于自然膝关节并能满足患者日常活动需求。结论本研究提出的基于亚洲人种特征的膝关节假体设计具有潜在临床应用前景,可以为亚洲人种患者提供更加个性化、精准的膝关节替代治疗方案,提高手术治疗效果和术后满意度。

非对称型假体设计及全膝关节置换后的力学分析

背景:全膝关节置换是治疗膝关节晚期病症的有效手段,但假体衬垫容易因内部应力变化而产生磨损失效,寿命有限且术后患者的活动能力降低。如何对假体进行改进设计来满足患者更多的需求是假体研究的重要方向。目的:基于半月板的形态设计一种非对称型假体,并与对称设计的后稳定型假体进行比较,分析2种假体的应力分布情况和衬垫的接触面积变化,以探究非对称型假体设计是否存在优势。方法:通过有限元方法对1例膝骨关节炎患者进行模拟截骨和假体装配,建立基于非对称型假体及对称设计的后稳定型假体的全膝关节置换术后膝关节模型。在0°,10°,20°,30°的屈膝条件下,探究股骨假体、胫骨假体以及衬垫上的Mises应力,并通过对比衬垫内外侧的接触面积,分析全膝关节置换后膝关节生物力学变化和运动行为的改变。结果与结论:(1)在0°-30°的屈膝过程中,2种假体衬垫上的Mises应力峰值均表现出先减小后增大的趋势,且内侧始终大于外侧。(2)非对称型设计的假体与后稳定型假体相比,应力峰值更低;在屈膝30°时,非对称型假体衬垫内外侧的Mises应力峰值分别为15.81 MPa和11.95 MPa,后稳定型衬垫为16.70 MPa和13.76 MPa,两者内侧差值约为5.33%,而外侧则相差13.15%;对比股骨假体和胫骨假体上的Mises应力峰值,非对称型假体在屈膝过程中始终低于后稳定型假体。(3)在0°站立位时,后稳定型假体衬垫的内侧接触面积为17.96 mm^(2)、外侧为34.10 mm^(2);而非对称型假体衬垫的内外侧接触面积分别为105.47 mm^(2)和107.80 mm^(2),具有更大的接触面积且两侧差距更小。(4)结果表明,非对称型假体的生物力学表现更好,且能够对维持膝关节稳定性、提升关节活动度有所帮助。这种设计能够在一定程度上还原膝关节以内侧髁为轴进行外旋的运动机制,是一种更为有效的膝关节假体选择方案。

国人髌骨形态学研究及其在髌骨假体设计中的意义

目的通过研究正常国人髌骨关节面的形态学特征,探讨它们在国人髌股关节假体的髌骨假体设计中的意义。方法通过影像学方法对国人髌骨的Wiberg分型进行流行病学统计分析,并将国人统计学结果和西方人数据进行比较。结果200例国人髌骨的Wiberg分型结果为:Ⅰ型23例占11·5%,Ⅱ型占128例64%,Ⅲ型42例占21%,Ⅳ型7例占3·5%,在国人髌骨中WibergⅡ型占大多数,WibergⅠ型只占少部分。结论在国人髌股关节假体设计过程中,髌骨假体的形态以WibergⅡ型为模板采取偏心型设计更符合国人髌骨形态学特征。

股骨近段髓腔的CT测量及股骨假体设计

背景:人工关节大多根据西方人种设计,与国人股骨近段髓腔存在一定差异。目的:通过CT测量股骨近段横断面的髓腔内径参数,为设计符合国人的髋关节假体提供数据。方法:通过CT对61例初次行全髋关节置换成年人的健侧股骨近段进行扫描,连续扫描3层,层厚均2mm,测量股骨颈平面、股骨小转子平面、股骨峡部平面的髓腔内径等参数。结果与结论:股骨峡部平面的各径线之间、股骨颈平面的宽径与内侧径之间、股骨小转子平面的长径与内侧径之间都存在着显著相关性(P<0.05)。股骨颈平面的长径、宽径、内侧径及股骨峡部平面的皮质厚度在男女之间差异具有显著性意义(P<0.05)。所测3个平面的径线可为该类型股骨假体的设计提供数据支持。

国人正常肱骨头形态学与假体设计的相关研究

目的 :测量国人肱骨头相关解剖数据 ,为设计适合中国人的肱骨头假体提供参考值。方法 :10 0根成对防腐肱骨 (男 2 8对 ,女 2 2对 ) ,用CT软件测量头心 -干轴距、头干角、头 -结节高度差、头半径、关节面张角等共 13项参数。结果 :所得数据行统计学处理 ,得出各参数分布规律及其间的相关性 ,性别间比较有显著差异 ,而左右间差异不显著 ,除头干角比西方人稍大外 ,其余参数均较西方人小 ,差异有非常显著性意义 (P <0 .0 1)。结论 :有必要设计符合国人肱骨解剖特点的假体。

人工腰椎间盘假体设计原理及现状

目的:人工腰椎间盘置换术作为腰椎融合之外治疗腰椎间盘退行性病变的另一合理的选择,使患者疼痛缓解,重建椎间隙高度,保留脊柱运动,在欧美已经应用于临床。结合腰椎解剖及生物力学原理阐述目前常用假体的设计理念。同时,综述目前FDA批准的SBCharité假体早期临床研究结果。资料来源:应用计算机检索MEDLINE和PUBMED公开的截止到2006-10文献,检索词“Discarthroplasty;Lumbarspine;Discdegeneration;Spineprosthesis;Artificialdisc;Intervertebraldisc”,限定文章语言种类为English。通信获得北美脊柱学会及脊柱侧凸学会从1995到2005年历年的会议部分文献。资料选择:对资料进行初审。纳入标准:①实验及临床研究。②不限定对照及盲法。排除标准:同一领域重复研究和综述文献。资料提炼:从95篇关于人工腰椎间盘置换假体基础研究及临床应用的文献中选出符合纳入标准的30篇。资料综合:文献报道分别对腰椎解剖及生物力学原理、人工腰椎间盘假体设计理念、目前常用假体的特点及应用指征、短期临床效果及随访情况等进行讨论。①腰椎运动的生物力学机制要求设计出一种能够重建和保留脊柱生理活动功能的假体与之相适应。②FDA关于CharitéⅢ假体的2年RCT临床随访资料显示63%的患者临床效果满意。10年随访资料显示Charité人工椎间盘具有极好的屈伸及侧方动度而没有显著的并发症,优于文献中脊柱融合的疗效。结论:短期的疼痛缓解和功能恢复效果良好;植入体内短期内是相对安全的;相对于脊柱融合术,可缩短术后康复时间。术后短期效果可以肯定,但缺乏有关远期效果的报告。

定制式人工全髋假体设计制造及临床应用

延长人工关节的有效使用寿命是人工关节研究的关键,而骨吸收和无菌性松动是影响其使用寿命的主要因素。由于人体的绝对个性化特点,标准人工假体与病人骨骼之间的误差使二者难以很好匹配,不能确保人工关节的长期稳定。同时,一些病人骨骼呈先天性畸形或由于骨骼病变造成骨与关节大面积损坏,其骨骼关节与正常情况明显不同,亦不可能选用标准人工假体。计算机辅助设计和制造(Com puter aided design/ Com puter aidedmanufacture,CAD/ CAM)通过对病人骨骼的三维重建,为每一位病人进行特殊设计和制造,提高了假体与病变骨骼的匹配度,提高了人工关节的长期稳定性,有效防止了关节松动。本文对CAD/ CAM定制式人工髋假体的优点、设计制造。

定制肿瘤假体断裂因素与假体设计

背景:因肿瘤型假体置换后并发症而再次手术的患者不断增加,其定制肿瘤假体的断裂是原因之一。目的:总结分析定制肿瘤假体发生断裂的原因,以及其与假体设计的关系。方法:以"定制肿瘤假体,假体断裂"为中文关键词;"Custom-madeprosthesis,Endoprosthesisfatiguefracture"为英文关键词。采用计算机检索2000-01/2010-12相关文章。纳入与有关定制肿瘤假体设计及假体断裂翻修相关的文章;排除重复研究或Meta分析类文章。以14篇文献为主重点进行了讨论。结果与结论:假体断裂的原因主要有假体设计缺陷,假体材料、加工工艺不合格,放置失误,手术软组织重建困难及缺少骨支撑等方面。通过了解肿瘤假体应力集中部位及应力峰值,可以预测内固定系统的寿命。

桡骨近端的三维形态学参数测量及其对假体设计的指导意义

目的:测量国人桡骨小头的形态学参数,并与西方人群桡骨小头形态参数测量值进行比较,为设计出国人桡骨小头假体提供参考。方法:选取国内130人正常肘关节的CT扫描数据,所有数据均使用64层螺旋CT扫描仪进行扫描,并在GEAW 4.5工作站上进行重建和测量。分别测量颈干角(∠α)、桡骨近端颈和头长度(LNH)、桡骨小头最大直径(D1MAX)、桡骨小头最小直径(D2MIN)、桡骨小头凹陷关节面最大直径(D3MAX)及最大垂直凹陷深度(DD3)、最大直径与定义水平面夹角(∠β3)、凹陷关节面最小直径(D4MIN)及最大垂直凹陷深度(DD4)和最小直径与定义水平面间夹角(∠β4),比较男性和女性测量结果的差异并分析不同参数之间的相关性。结果:正常男性∠α、LNH、D1MAX、D2MIN、D3MAX、DD3、D4MIN和DD4大于正常女性(P<0.01)。正常男性∠β3和∠β4测量值以及DD4/D3MAX、D4MIN/D3MAX、∠β3/∠β4和D2MIN/D1MAX比值与正常女性比较差异无统计学意义(P>0.05)。∠α、LNH、D1MAX、D2MIN、D3MAX和D4MIN任意2个参数之间均存在较强的正相关关系(P<0.05),∠β3与∠β4之间也存在较强的正相关关系(P<0.05)。结论:国人男性和女性桡骨小头形态相似,形态学参数与国外人群存在差异。

渐变形面膝关节假体设计及接触应力分析

目的研究膝关节假体形面轮廓对假体关节面间接触应力的影响。方法基于MRI(magnetic resonance imaging)图像采集建立多角度正常膝关节模型。依据自然膝关节的解剖结构,从中提取出个体膝的结构尺寸及形面特征,设计出渐变形面的膝关节假体,按照全膝关节置换手术的规范流程建立植入渐变形面假体后的全膝三维模型,并通过有限元分析,比较植入假体后对股骨/胫骨关节面等效应力的影响。结果植入渐变形面的假体膝在屈曲角度0°~60°时对于髁面的应力分布影响不大,但大于60°,尤其是80°时,应力分布变化明显;另外,对内/外侧髁面的最大等效应力有较大的改变。结论在膝关节假体的设计建模中,尽量重现人体关节构造,益于保证置换后整个膝关节的协调运作。整个设计过程及方法对于完善和改进假体的设计具有重要的参考意义。

人工关节松动假体设计对人工关节松动的影响

目前临床常用的人工髋假体,其假体柄一般仅有3-6种规格,而人类股骨上段髓腔的形状和大小差异显著,在多数情况下,假体柄不能与骨髓腔呈解剖匹配,接触面积小,往往留下较大的间隙,即使使用具有生物学固定作用的多孔表面假体,由于骨组织不能充分长入微孔内,假体仍将发生松动。因此,无论从机械固定还是从生物学固定角度来衡量,通常设计的人工髋假体不能保证假体的长期稳定性。

人工腰椎间盘假体设计原理研究及未来趋势发展

背景:椎间盘置换是治疗椎间盘退行性疾病的新选择,可在消除疼痛的同时保留腰椎原有的生物力学状态,但对于其假体结构和材料设计尚需进一步研究和验证。目的:对现有腰椎间盘假体结构和材料设计方案进行综述,并对其未来优化设计进行展望。方法:第一作者应用计算机检索中国期刊全文数据库、Pubmed数据、中国生物医学文献数据库中2005年1月至2013年2月有关人工腰椎间盘及髓核假体材料类型及生物力学的文章。中文检索词为"人工椎间盘,假体设计原理,结构,材料,临床试验",英文检索词为"artificial lumbar disc,total disc replacement,structure,material,clinical trial",排除重复及陈旧文献。共检索到135篇文章,共纳入36篇文章进行综述。结果与结论:目前用于椎间盘的材料有钴铬合金、陶瓷、不锈钢、钛合金和超高分子量聚乙烯等。用不同材料制备的椎间盘假体较多,其中Bryan假体在临床最常用,三维有限元分析、体外实验及临床研究都证实具有良好的生物力学特性,置换成功率较高。人工髓核假体有预制型及原位聚合型,由于置换损伤小,是目前的研究热点,但很难达到人体髓核生物力学功能。挖掘新型材料来设计个性化假体是将来的发展方向。对于假体结构和生物材料设计经历了不断的改进与发展,文章结合最新研究趋势,对椎间盘假体未来在材料改进、结构仿生设计、假体和辅助置入器械优化设计等发展方向进行了展望。

人工膝关节假体设计新进展

纵观膝关节假体设计开发的历史,现代假体的设计要求置换后的膝关节能更好的恢复膝关节本身的运动学特性,同时要求减少关节假体接触面之间的应力,减少假体磨损。通过提高人工膝关节的活动度来增加膝关节的功能,从而建立更像自然膝关节的动力学上人工膝。采用高交联聚乙烯为垫片材料,更好的胫骨假体锁定机制,使用活动负重人工膝关节设计,能使假体更一致并能减少对固定接触面的应力,从而增加假体的使用寿命。

一种新型膝关节假体设计及稳定性评估

根据人体生理学特点,整合通用人工膝关节置换假体设计的设计参数,首次使用扭转椭圆曲线拟合膝关节假体髁曲面,设计一种人工膝关节假体。根据外髁曲面向内侧扭转的角度分为0°,10°,20°,建立3种左侧膝关节假体模型(分别命名为1、2、3号模型)。将假体模型置于步态环境中,并将股骨组件绕胫骨旋转轴旋转±3°,在计算机软件中提取股骨置换假体与胫骨衬垫组件模型之间的相交体积,作为评估人工膝关节置换假体运动稳定性的依据。步态过程中,随着膝关节弯曲角度由0°到58°,1号模型相交体积由122 mm3降低到54.9 mm3,2号由131.9 mm3降到34.5mm3,3号由216.5mm3降到58.8mm3.这种设计可以使膝关节在低弯曲角度时具有很好的稳定性,同时在高弯曲角度时具有一定的灵活性,满足人体膝关节运动的特点。

人工膝关节临床应用中的假体设计、生物力学性能、计算机辅助技术及其相关争议

人工膝关节置换发展经历了近20年的临床实践,不断的改进设计,在哪些方面有了深入的研究？○活动载荷假体与高屈曲度假体各有哪些优势？○随着人们对膝关节生物力学研究的不断深入,膝关节假体设计理念在哪些方面的探索不断更新了？○全膝人工关节无菌性松动失败的因素有很多种,医生们如何进行松动鉴定？○人工膝关节置换至今仍存在哪些在争议着的问题？

本刊“医学植入体”栏目组稿重点内容:计算机辅助骨科手术系统辅助个性化假体设计

个体化髋、膝假体可以根据每个患者的髋、膝关节特征量身定做，提高假体植入后的稳定性，并更为有效地恢复患者生理状态下的膝关节解剖学及运动学特征，从而减少由于假体匹配不良及固定不合理而导致的过早松动。

本刊“医学植入体”栏目组稿重点:关于CAD/CAM技术个性化假体设计

CAD／CAM技术个性化假体设计的工作流程：①与临床医生进行手术方案与假体概念设计讨论。②医院拍摄患者有关部位CT。③图像处理与几何建模。④用快速成型设备制作骨模型。⑤通过反求系统对厂商提供的商品化假体进行反求。⑥在数据库的支撑下，开展个性化假体的三维数字设计。