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Dicom3.0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。

基于CAD/CAM软件的股骨模型三维重建及数控加工

运用通用CAD/CAM软件Mimics,Imageware,CATIA,对股骨模型进行三维模型重建及数控加工程序编制,配备四轴数控雕刻机床进行数控加工,提出了一套完整的股骨模型三维重建及数控加工的方法。

参数化股骨曲面特征模型的构建

为了便于参数化股骨曲面模型的编辑修改,利用曲面特征将股骨的网格模型分割为有医用意义的曲面特征单元,提出建立股骨曲面特征模型的方法.首先结合医学解剖需求,将由平均化点云模型构建的三角网格模型分割为有特定意义的多个区域,构成特征区域;其次设计特征参数及参数间约束关系,通过轮廓线蒙皮创建特征曲面;最后将相邻特征曲面通过过渡曲面连接,生成股骨参数化CAD曲面模型.实验结果表明,该方法能够有效地表达股骨表面形状特征,利用高层参数对股骨模型直观地进行构建和编辑,为股骨假肢设计以及不完整股骨的数字化修复等提供基础工具.

不同材料赋值下股骨静力学有限元模型的力学仿真分析

背景:不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很 多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法,而材料属性分配将对生物力学分析 结果产生很大的影响。 目的:采用不同的材料属性赋值方法建立3种股骨有限元模型并进行有限元仿真分析,探究不同材料赋值 方法对股骨有限元生物力学仿真分析的影响。 方法:采集志愿者股骨CT扫描数据,以DICOM格式文件导入Mimics医学影像处理软件重建股骨模型, 对模型分别赋予3种不同的材料属性,即均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值,并将模型导入有限元 分析软件Abaqus 6.14中,设置相同的载荷和边界条件进行应力及位移分析。 结果与结论:①3种股骨模型的应力输出结果相差不大,且均在合理范围内;②但是均一材料赋值股骨模 型与皮-松质骨赋值股骨模型的最大应力主要分布于股骨干部位,而灰度赋值股骨模型的最大应力分布在股 骨颈处,这也与现实状态下股骨骨折部位主要出现于股骨颈部位所吻合;③皮-松质骨赋值模型和灰度赋值 模型输出的位移值基本一致;而均一材料赋值的股骨模型位移值最小,并且与其他2种模型位移量相差40% 左右;④提示灰度赋值的方法能够较好地反映人体股骨的生物力学特性,从而可以更准确地模拟真实股骨 的生物力学特征,这也为骨科生物力学进行有限元仿真建模提供了重要理论依据。

单臂外固定架治疗老年股骨粗隆间骨折模型的抗压力学性能

目的：探讨单臂外固定架治疗老年股骨粗隆间骨折的抗压生物力学性能。方法：运用单臂外固定架及老年股骨尸体标本制作单臂外固定架治疗老年粗隆间骨折模型,测试其抗压力学性能,同时应用生物力学应变贴试技术与电测实验方法测试模型的骨折端压应力感应值,分析骨折固定后的生物力学稳定性。结果：我们对固定模型施加0~600N纵向载荷,随着压力不断增加,骨折断端的位移量最大值为2.80mm;施压同时,得出此模型在大小粗隆两侧的压应力感应值,结果显示单臂外固定架能恢复并保持股骨近端抗弯小梁承载的基本功能,有效拮抗剪应力对于骨折愈合的不利影响。结论：单臂外固定架治疗老年股骨粗隆间骨折模型其抗压生物力学性能是安全可靠的。

基于二维三维配准的股骨三维模型重建

介绍了一种利用两张常规X光照片和标准骨模型对股骨三维模型进行快速重建的方法。从两个正交方向拍摄X光片,并记录X光片拍摄的参数信息;利用二维/三维配准算法建立了二维X光片与三维标准模型之间的对应关系。提出了基于FFD算法的单位自由变形方法对标准模型进行重建,最终使得X光片外轮廓与标准模型模拟投影轮廓一致,从而获得个性化的股骨三维模型。针对35个样本设计了全面的实验,最终得到全骨的二维点配对平均时间为20s,平均重建时间为112s;三维模型的外形平均误差为0.52mm,且精度和速度均保持稳定,具有良好的鲁棒性。该快速长骨重建方法减少了重建时间,具有较高的重建精度,同时具有良好的稳定性,在临床应用和相关科学研究中具有很好的应用前景。

基于CT数据的股骨轴线的获取

目的提出一种利用CT影像数据自动获取股骨轴线的方法,利用该方法可以在计算机上获取精准的股骨三维解剖轴线与机械轴线。方法对人体下肢进行CT扫描,然后对CT图像进行二维阈值分割、三维数据体重建、骨骼分组、数据平滑填充及三维数据体旋转等预处理,获得三维股骨表面模型;通过对股骨头与股骨远端形态特征的分析,根据股骨头近似球形的特点,对判断断层扫描数据梯度变化来计算股骨头中心位置,另外,逐层搜索膝关节断层图像上闭环区域的方法自动求得股骨远端中心的坐标,从而获得股骨长轴。结果建立了一种基于CT图像简便快捷的自动获取股骨头中心与膝关节骨中心三维空间坐标的方法。结论通过此方法可较为精确获得人体下肢的三维股骨机械轴线和股骨解剖轴线。

基于CT图像三维重建测量股骨外翻角

目的利用mimics重建股骨的三维图像,通过模拟膝关节置换术来确定解剖轴线机械轴线来测量股骨外翻角的一种方法。方法利用吉林大学白求恩第三医院住院患者下肢CTA扫描的扫描数据(35岁男膝关节无疾病、无畸形的成年人)。通过使用mimics软件对其CT图像进行二维阈值分割及切割、数据填充等预处理,获得三维股骨模型,并在二维横断面上找到髓内定位杆的入针点,于此点向股骨近端做一直径为4 mm长度为200 mm的圆柱,通过调整圆柱的方向,找到髓内定位杆的最佳位置,可得出进针点及股骨近端该圆柱的中心的三维坐标。将mimics重建的三维模型导入geomagic软件中,通过对股骨的平滑处理,将与髋臼接触的股骨头面拟合成球形,找到该球体的球心三维坐标。使用以上三点的坐标测出其夹角,即外翻角。结果建立了一种基于CT图像三维重建,准确的获得膝关节轴线的方法。结论通过此方法可以准确的测出提供术中参考的股骨外翻角,以指导术中截骨,乃至于外翻角术前个体化。

斯氏针置入股骨头不同方式的生物力学分析

背景:对于不同年龄段的人群,股骨颈骨折有其不同的骨折线走向特点,有着不同的治疗策略。如何在手术治疗中提高复位质量、避免股骨头坏死及内固定失效,成为骨科学者面对的共同挑战。通过对股骨头颈部模型进行力学测试,期望获得相关数据,为提高复位稳定性及复位质量指明方向。目的:通过静态拉伸实验和疲劳实验得出斯氏针不同方式置入股骨头的力学特点。方法:选取天津正天医疗器械有限公司生产型号为ZLW02SJA的斯氏针,规格φ3.5*300 mm,样品材质为317不锈钢,按照2个步骤进行研究。步骤一:静态拉伸实验,使用1枚或者2枚斯氏针,按照前方或者侧方打入股骨头的方式组合,共计8种方案,每一方案将斯氏针打入Sawbone股骨头相应深度,以20 mm/min的速度对斯氏针进行拔出力测试,记录拔出力值。步骤二:疲劳拉伸实验,汇总前8次实验拔出力的平均值,取2个最大拔出力的75%值分别进行疲劳拉伸测试。结果与结论:①经过静态抗拔出力测试,得出抗拔出力最佳的2种方案为方案五和方案七,其中方案五的打入方式为自前而后,皮质骨厚度为4.3 mm,松质骨厚度为25.7 mm,斯氏针数量为2枚,置入深度为股骨头2/3;方案七的打入方式为侧方大转子,皮质骨厚度为3.0 mm,松质骨厚度为26.3 mm,斯氏针数量为2枚,置入深度为股骨头2/3;②然后选用这2种方案的最大拔出力的75%分别进行至少300次疲劳循环,2种方案均能完成疲劳测试,斯氏针最稳定的打入方式为方案五,其具有较大的拔出力,在斯氏针打入股骨头复位过程中可以与股骨头相对稳定的产生牵引;③结果显示:抗拔出力实验和疲劳实验均提示打入2枚斯氏针强于1枚斯氏针,而打入2枚斯氏针的情况下自前而后方向进针优于侧方大转子进针。

髋臼力和肌肉力对股骨有限元分析结果的影响

建立基于CT影像的股骨有限元模型,研究髋臼力和各个肌肉力对有限元分析结果的影响.对于完整股骨模型(模型I),施加髋臼力和各种肌肉力并计算.对于股骨近端模型(模型II),施加相同大小不同作用面积的髋臼力并计算.通过对计算结果的分析表明,臀中肌肌肉力对股骨内应力分布影响最大;髋臼力的作用面积越大,模型各单元应力越小,施加载荷位置的单元此趋势尤为明显.可以为大量个体化有限元计算预测股骨强度提供载荷简化的主要依据.

恒古骨伤愈合剂促进兔坏死股骨头内核心结合因子α1基因表达的实验研究

目的研究中药恒古骨伤愈合剂(简称中药合剂)对兔坏死股骨头内核心结合因子α1(cbfα1)基因表达的影响。方法用大肠杆菌内毒素(LPS,10μg/kg体重)间隔24h两次静脉注射加甲基泼尼松3次肌肉注射制作的兔股骨头坏死模型,用中药合剂治疗后取股骨头行免疫组化,并提取总RNA行实时荧光定量多聚酶链反应(PCR),观察兔股骨头内cbfα1基因表达的动态变化特点。结果给药第4周时,中药组与模型组股骨头内cbfα1基因表达均为阴性,至第8、12周时,中药组免疫组化结果为弱阳性,模型组为阴性;至第12周时中药组股骨头内cbfα1mRNA的表达量是模型组的2·87倍。正常给药组与空白组比较差异无显著性。结论中药恒古骨伤愈合剂可促进坏死α股骨头内源性cbfα1基因的表达,以用药时间长者效果明显。

股骨颈骨折空心钉内固定数字化模板的建立

背景:按照骨折治疗的AO原则,目前治疗股骨颈骨折的趋势是尽早切开关节囊,清除血肿,解剖复位,加强内固定,不必缝合关节囊,可降低股骨头缺血性坏死的发生率。股骨颈骨折空心钉的安放位置是维持稳定构型的关键,但置钉准确性受个体差异,置钉定位影像设备二维性及术者经验等主观因素影响较大,临床上急需一种实用性强花费较小且易于推广使用的辅助置钉方法。目的:构建骨颈骨折中空加压螺钉立体模型,通过3D生物打印技术精确建立导航模板并验证。方法:18例志愿者知情同意后,连续螺旋CT进行双侧股骨上端加密扫描。将Dicom数据导入Amira3.1(TGS)软件,三维重建骨折模型,导入Image-ware12.1软件,数字化设计最佳穿刺通道,三维重建股骨颈螺钉三维立体模型。提取解剖学形态,建立反向模板,3D生物打印实物模板,进行手术模拟验证。结果与结论:成功地建立了股骨颈三维模型及空心钉内固定模型,设计出了数字通道及螺钉最佳穿刺途径,制作出导航模板。模拟手术中置钉位置全部在最佳钉位。生成的三维模型与导航模板体外贴附良好,成功穿刺后断层证明穿刺通道位置较准确。提示成功构建了数字仿真股骨颈骨折内固定三维模型,逆向工程及3D生物打印导航模板技术能够提高手术操作精确性,为临床提供理论依据和技术支持。

重组合异种骨复合bFGF对兔股骨头坏死修复的影响

目的:将吸附有成纤维细胞生长因子(bFGF)的重组合异种骨(RBX)植入病灶清除区,观察组织病理变化过程,评价其诱导成骨活性及生物降解性,以探索治疗股骨头坏死(FHN)的新方法。方法:对以局部液氮冷冻法造成的20只兔FHN模型行病灶清除术,对各股骨头分别采取A、B、C、D四种干预方式(不同的填充物),其中A种方式以复合有bFGF的RBX充填骨腔,分别于术后3、6、12周处死动物,行X线大体标本、组织病理检查及股骨头相对骨密度分析。结果:①X线大体观察:3周时实验组与对照组骨密度均无明显增高;6周时实验组骨密度较对照组高;12周时实验组骨密度接近于正常兔股骨头骨密度,对照组较低。②X线摄片结合计算机相对骨密度分析:3周时实验组与对照组骨密度比较无明显差别,6周、12周时实验组骨密度明显高于对照组(P<0.05)。③组织学观察:3周时所有兔股骨头骨细胞、骨髓细胞、软骨细胞完全坏死,骨小梁完整;6周时实验组钻孔植骨处成骨细胞及毛细血管明显多于对照组;12周时实验组新生骨组织修复已达软骨下,对照组植骨块仍有少量未被吸收。结论:RBX复合bFGF具有明显的诱导成骨及促进血管再生能力,能有效促进坏死股骨头的修复。

基于ANSYS人体膝关节的生物力学分析

目的研究作为膝关节置换前虚拟移植的第一阶段工作,重建人体膝关节股骨的三维有限元模型,并基于股骨模型进行应变方面的有限元分析,得到可供下一阶段假体设计的可靠数据。方法选择1例上海市闵行区中心医院35岁女性股骨截面进行自上而下的、层厚为1 mm CT断层图像。采用ANSYS软件对CT图像进行重建膝关节三维模型并进行网格划分,之后进一步进行应力及生物力学特性方面的研究,模拟正常人在静止站立情况在不同载荷条件下的受力分析及应变情况,来验证所建模型的可行性。结果建立一个节点数为155 522、四面体单元数为107 833的股骨三维体网格模型;分别赋予1、5、10种材料值,再施加450、600、700、800、900 N的集中载荷,得到垂直载荷下的最小应力值为45.2~45.4 MPa,最大应力值为90.5~90.8 MPa。结论膝关节的生物力学分析对于膝关节假体的植入角度和位置及今后膝关节假体的外形设计及材料方面的研究具有重要的参考价值。

羟基磷灰石复合聚乳酸可吸收螺钉的力学及生物降解性

背景:将聚乳酸与羟基磷灰石复合可提升植入体的力学性能、理化性能。目的:应用犬股骨外髁骨折内固定模型,观察羟基磷灰石复合聚乳酸骨折内固定螺钉修复股骨外髁松质骨骨折的效果。方法:手术制备42只比格犬双侧股骨外髁骨折模型,左侧采用羟基磷灰石复合聚乳酸可吸收螺钉内固定作为实验组,右侧采用单纯聚乳酸螺钉内固定作为对照组。置入后2,4,8,12,24,36,48周获取标本,X射线观察骨折恢复情况,取股骨和螺钉标本进行病理组织学观察,检测螺钉质量、抗弯强度和重均分子质量,计算生物吸收率、强度衰减率和生物降解率。结果与结论:置入后2-48周,双侧骨折区内固定良好,新骨生长良好,实验组螺钉生物吸收率低于对照组(P≤0.01)。实验组置入后2,4周螺钉抗弯强度高于对照组(P≤0.05),置入后2-48周螺钉生物降解率低于对照组(P≤0.05或P≤0.01)。两组标本病理变化相似,置入后48周,骨折均愈合,骨组织重建良好。表明羟基磷灰石复合聚乳酸可吸收螺钉具备良好的内固定疗效和生物相容性,其力学性能和生物降解性能优于单纯聚乳酸螺钉。

液氮冷冻法制备兔股骨头坏死模型新方法及效果评估

目的通过改良的手术路径,应用液氮冷冻法制备兔股骨头坏死模型,建立模拟人股骨头坏死病理变化的实验动物模型,为股骨头坏死的基础研究提供动物模型。方法选取10只健康雌性新西兰大白兔,月龄(3.0±0.2),体重(3.2±0.4)Kg,选取左侧股骨头为实验组,右侧股骨头为空白对照。使用股骨头坏死髓芯减压手术路径,沿股骨颈方向钻入2.0 mm克氏针,将液氮冷冻仪探针插入孔道进入股骨头区域,对股骨头进行冷冻—复温2个循环,冷冻、复温时间均为半分钟,缝合切口后放回原笼位。于术后4周处死实验动物,取出股骨头观察股骨头大体变化,并即刻行股骨头X线等影像学检查,最后行病理切片检查。结果所有实验动物术后均无死亡。通过对实验兔双侧股骨头大体形态观察,实验组股骨头软骨下骨颜色变深,呈暗红色,负重区有小片状坏死灶。X线结果示实验组与对照组相比,股骨头无明显的骨质密度改变。micro-CT示实验组股骨头软骨下骨小梁稀疏、紊乱,出现多处骨小梁连续性中断。MRI示实验组股骨头表现为以高信号为主的片状的高、低混合信号区。病理组织切片结果可以发现软骨变薄、细胞排列紊乱,骨小梁变细、排列紊乱,脂肪细胞融合,空骨陷窝形成等。10只实验兔的左侧股骨头均出现早期坏死的表现,成功率100%。结论本实验通过新的手术路径用液氮冷冻法成功制备了兔股骨头坏死的模型,手术创伤小,无需切开关节囊和脱位股骨头,操作简单,可作为兔股骨头坏死造模的新方法。

更正

《贵州医药》2021年7月第45卷第7期第1045~1046页《HIF-1α转染脂肪干细胞复合HA/β-TCP人工骨修复兔股骨头坏死模型的实验研究》一文中的基金项目为:上海市浦东新区科委课(编号:PKJ2018-Y21)。

二次损伤炎症启动犬萎缩性骨不连模型骨痂生长的组织病理学分析

目的探讨高能量骨折端邻近软组织二次损伤炎症刺激大量巨噬细胞募集对局部骨痂生长的启动作用。方法制备48个犬股骨高能量骨折模型,随机分为A、B组,各24只。A组立即行切开复位6孔钢板内固定术,术后2周再次行断端切开,进行单纯骨折端软组织剥离损伤。B组立即行切开复位6孔钢板内固定术。2组术后摄X线片观察骨痂生长情况。A组于二次损伤术后3 d、1周、2周、4周分别处死6只犬,B组于骨折后3 d、1周、2周、4周分别处死6只犬,取出骨折标本进行组织切片观察与透射电子显微镜观察。结果 A组二次损伤术后可见少量中性粒细胞浸润,随即募集大量巨噬细胞,间充质细胞亦同步趋化,启动旺盛的骨痂生长,产生骨痂愈合。B组骨折端邻近组织表现为大量中性粒细胞浸润,无巨噬细胞募集,无间充质细胞趋化,未发生骨折愈合级联反应,出现萎缩性骨不连。结论高能量骨折早期手术后邻近软组织巨噬细胞募集障碍可能是导致萎缩性骨不连发生的重要原因,而骨折端邻近组织炎症消退后的二次损伤炎症能够有效募集巨噬细胞,促进犬萎缩性骨不连模型的骨痂愈合。

三维重建法测量中国北方成人股骨膝外翻角(英文)

研究目的:利用三维重建影像模型获取膝外翻角,并通过使用这种方法来测量中国北方成人膝外翻角的平均估计值。创新要点:本研究所获取的膝外翻角平均值对于在中国北方人群进行膝关节置换术时有着重要的参考意义,新的三维重建测量法使得膝外翻角的术前个体化测量更加精确。研究方法:利用64名患者的CT血管造影(CTA)的DICOM数据获取共128件股骨三维重建模型。在重建的股骨模型上分别定位髁间凹最高点(点A)、膝关节线上20 cm截面的髓腔中点(点B)和股骨头旋转中心(点C)。之后膝关节外翻角即由股骨远端解剖轴(线AB)与股骨机械轴(线AC)所围成(上述定位过程详见图5)。经统计分析后,128件股骨的平均外翻角值为6.20°±1.20°。统计分析还发现,膝外翻角与个体年龄呈显著性正相关,同一个体的左右侧外翻角呈显著性正相关。重要结论:在对北方成年人群进行膝关节置换术时,选取外翻角为6°可会在重建人体下肢力线上获得更好的术后效果。在对年长患者进行手术时应选用更大的外翻角。

去势对骨折早期愈合过程的影响

目的通过对去势大鼠股骨骨折模型愈合早期骨痂的组织学、骨密度以及转化生长因子β1(Transforminggrowthfactorbeta1,TGF-β1)、碱性成纤维细胞生长因子(basicfibroblastgrowthfactor,bFGF)、骨形态发生蛋白-2(bonemorphogeneticproteins-2,BMP-2)合成变化的观察,探讨骨质疏松骨折早期愈合过程的变化。方法将60只雌性SD大鼠分为去势组和对照组,3个月后制成股骨干骨折模型,伤后不同阶段处死,分别进行组织学、骨密度以及TGF-β1、bFGF、BMP-2免疫组化染色方法观察。结果大鼠去势后3个月全身骨密度检查证实去势组骨质疏松形成。骨折后第3d两组均开始形成原始骨痂;第4～6周,去势组骨痂比对照组少,且软骨痂比例较高,骨密度较低。免疫组化染色显示,在两组间bFGF、BMP-2的表达与分布、高峰出现与持续时间差异无显著性。去势组骨小梁附近表达TGF-β1的成骨细胞数目减少。结论骨质疏松使大鼠骨折早期骨痂的数量与质量降低,自软骨性骨痂至骨性骨痂演变过程减缓,对骨折愈合过程的影响与BMP-2、bFGF的表达无明显关联。TGF-β1在成骨细胞中的表达减少可能是引起骨质疏松骨折愈合质量下降的因素之一。