3D打印医工结合门诊在数字医学临床实践教学中的应用

背景:3D打印医工结合门诊和数字医学教育正在不断完善和发展,将3D打印医工结合门诊模式应用于数字医学的临床实践教学当中将会是3D打印在快速发展道路上的一个创新结合点,同时该新模式也将为应用医学的发展做出进一步的推动作用。目的:对比3D打印医工结合门诊与传统医学教学及3D打印医学教学的优势,同时详细阐明上海交通大学医学院附属第九人民医院3D打印医工结合门诊的临床实践教学案例。方法:对传统医学教学、3D打印医学教学方式进行调研,将其与上海交通大学医学院附属第九人民医院3D打印医工结合门诊在“教学、教育、数字医学”等内容进行归纳分析比较;对3D打印医工结合门诊的组成建立、开展3D打印项目进行探讨研究,并总结于2018年1月至2021年1月在该院3D打印接诊中心参与3D打印医工结合门诊学习培训的学习人次以及举办的国际会议次数,阐明3D打印医工结合门诊在数字医学教育发展中的重要作用。结果与结论:①传统医学教育模式大课堂授课氛围枯燥,学生容易注意力不集中,难以全面掌握知识点;3D打印医学教育可提高医学教育中抽象内容的理解,但缺乏对3D打印以临床为导向的科研转化研究;而3D打印医工结合门诊可以培养医工交叉人才的转化思维,训练学生的科研成果转化能力,帮助临床研究成果顺利落地。②上海交通大学医学院附属第九人民医院的3D打印医工结合门诊,面向患者顺利开展了个性化的矫形器的制作,具有多学科交叉、医工人才交互及系统培养等特点,率先进行了3D打印医工结合门诊应用于数字医学临床实践教学的开展和探索,并且取得了良好的效果。③目前该3D打印医工结合门诊已培养和在读的博硕士人员42人、实习进修人员137人,已举办国际康复医学与工程大会10次,国际康复医学与康复工程前沿技术临床转化会议6次,对国内外3D打印数字医学教育的发展具有深远的影响。④3D打印医工结合门诊教学模式不仅有利于培养学生拥有以临床需求为导向的科研创新能力,更有利于转化医学、组织工程、康复工程和生物医学工程等前沿学科的发展。

人工髋关节磨损分析和临床失效诊断推理

目的研究人工髋关节磨损机理及磨损寿命界定准则,分析非正常磨损的具体原因和磨损失效的临床表现形式,建立失效事件的分析推理路线。方法通过弹性流体动力润滑分析和有限元分析确定人工髋关节中的摩擦磨损过程及导致早期非正常磨损的产生因素;通过建立磨损寿命界定准则确定人工髋关节的使用寿命;通过磨损—骨溶解形态学矩阵对磨损失效临床表现形式进行归纳分类;通过临床调研建立失效事件推理逻辑。结果计算得出球头—髋臼间的最小滑膜厚度和接触应力,以及相关参数的影响,作为磨损分析的理论依据;提出人工髋关节以几何形态变化导致的机械学失效和以骨溶解导致的生物学失效两种磨损寿命界定准则;得出磨损失效9种临床表现形式;提出磨损失效事件分析推理路线图。结论人工髋关节运动副中主要发生边界摩擦和混合摩擦,以及粘着、犁沟和三体磨损等磨损过程;髋臼与球头的表面质量、配合间隙及圆度对早期非正常磨损具有重要的影响;金属—UHMWPE配副人工髋关节正常机械学磨损寿命可以达到40年,但生物学磨损寿命最多为15～20年,后者是制约今天假体使用寿命的根源;磨损失效临床表现形式的多样性是机械磨损与骨溶解过程综合的形态学效果;在失效事件分析中推理路线图可提供一定的帮助。

轻便低成本型人体平衡功能测量系统研究与开发进展

人体平衡的控制与保持机制十分复杂,老龄化、中风、肢体残障等因素都会导致人体运动平衡功能的障碍,故平衡功能的测试与评价在该类相关疾病的诊断与评判中起着至关重要的作用。本文总结目前人体平衡功能研究的常用设备与方法及其局限,提出基于微电子传感器系统的穿戴式人体运动捕捉系统、基于体感游戏设计的平衡检测与康复训练系统等几种轻便低价的新型人体平衡测量与训练设备的设计思路与方法。

基于DRR及相似性测度的2D-3D医学图像配准算法

目的针对术前三维电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)图像和术中二维X线图像的配准问题提出了精确高效的全自动配准算法,使得该算法能够适应不同X线图像的风格。方法首先通过数字重建放射影像(digitally reconstructured radiograph,DRR)技术,把CT图像转换成DRR图像,从而将CT和X线图像的配准转换成DRR图像和X线图像的配准。然后在传统的归一化互相关(normalized cross correlation,NCC)和梯度差分(gradiant difference,GD)相似性测度指标基础上提出融合NCC和GD的归一化互相关-梯度差分(normalized cross correlation-gradient difference,NG)指标,并基于NG指标计算DRR图像和X线图像的相似性。通过Powell算法迭代求取相似性测度的极值,从而获得配准矩阵。最后在人体头颅CT数据上采用“黄金标准”判断法量化配准系统的精度,并通过脊柱CT和X线配准案例验证系统在实际场景的性能。结果基于DRR及NG相似性测度的2D/3D图像配准系统的配准距离误差为0.51 mm,角度误差为0.40°。结论基于DRR及NG相似性测度的2D/3D图像配准算法具有较好的配准精度,能适应不同风格的二维输入图像,基于该算法的配准系统具有较好的鲁棒性。

正常髌股关节在体运动学研究回顾

髌骨轨迹不良被认为是引起髌股疼痛综合征的主要病理生理机制之一。本文回顾迄今已发表的正常髌股关节运动分析结果,介绍正常髌股关节在不同功能活动下的6自由度运动动态特征。髌骨内外移位、翻转、前后移位以及屈曲在不同的功能运动中都存在较为统一的运动模式。然而,不同测量方法限制了研究之间的深入比较。今后广泛运用动态磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)或/和双平面正交荧光透视成像系统(dual fluoroscopic imaging system,DFIS),规范坐标系的建立或骨性形态参数的定义与使用,并增加实验的样本量,将有助于明确在体髌股关节6自由度运动的特征,完善对髌股关节动态功能的临床评价依据。

基于X线片定制股骨柄假体的设计原理及方法

目的介绍自编的基于X线片设计定制型股骨柄假体程序系统的设计原理及功能模块。方法利用图像处理方法提取X线片上一些患者股骨解剖特征点(如小粗隆最高点、股骨头中心及转子间窝等)、2个规划的手术截骨位置点(大粗隆侧截骨边界位置点及截骨线最低点位置点)以及一些设计用关键位置点(如假体远端位置、假体颈干连接段最高点位置等),以此预测患者股骨近端髓腔,并通过输入设计参数值(如颈干角、前倾角、预留的松质骨厚度、假体匹配段截面圆弧半径及假体过渡段高度等)设计出定制型股骨柄假体。并对设计出的定制股骨柄假体进行匹配区域多个截面的二维截面验证和三维的总体验证。结果根据验证情况,调整设计参数重新生成股骨柄假体模型点云数据,使设计出的股骨柄假体与患者股骨腔相匹配,达到定制型假体设计要求。结论介绍的程序系统可用于为患者设计定制型股骨柄假体,设计周期较短,成本较低,有利于促进定制型股骨柄假体在临床上的应用,进一步提高患者的生活质量。

标准截面形状定制型股骨柄假体设计

目的介绍一种标准截面形状定制型股骨柄假体结构以及自行开发的设计方法。方法首先利用DICOM格式的患者股骨CT图像,重建患者股骨近端模型;根据重建出的患者股骨近端模型构建股骨柄假体匹配段矩形的截面边界,并在矩形截面边界内用简单的线条初步构建出假体的截面轮廓曲线;利用股骨近端模型对初步设计出的股骨柄假体进行验证,并通过调整设计参数使最终设计出的个性化股骨柄假体与患者股骨髓腔相匹配。结果定制型人工髋关节股骨柄假体采用标准截面形状,便于快速设计出个性化假体,而且设计操作简单。参数化程序设计大大降低了个性化股骨柄假体的设计工作量。结论标准截面形状定制型股骨柄假体的设计将有助于提高定制型人工髋关节置换手术的成功率,促进定制型股骨柄假体在临床上的应用,进一步提高患者的生活质量。

体内微型医用机器人

依据不同的人体环境中体内微型医用机器人不同的驱动机制,综述体内微型机器人国内外研究现状,包括仿生物游动(泳动)驱动、特殊机械机构驱动、体外特殊场(磁场、超声波场等)驱动、胶囊类内窥镜微型机器人;分析目前体内微型机器人驱动机制在运动控制、手术安全存在的问题,讨论体内微型医用机器人关键技术:尺寸微型化、驱动机制、精确控制系统和能量供应等.探讨体内微型机器人在临床疾病诊断、体内手术的应用前景和发展方向.

医学研究生"产学研医用"一体化教学方式的探索

本文以上海交通大学医学院开设的数字医学与3D打印技术课程为例,介绍了"产学研医用"一体化的教学方式。从课程教学方式创新点入手,解读"产学研医用"一体化的教学理念与教学方式。该教学方式调动了医学研究生的主观能动性,提高了医学研究生的参与程度,鼓励医学研究生开展创新与转化,提高了医学研究生的科研能力与创新能力,有助于培养国际化的复合型、应用型医疗人才。

心血管介入虚拟手术力反馈技术

心血管介入虚拟手术技术可用于心血管介入手术的手术培训、手术导航、手术优化和手术评价等方面。本文介绍了心血管介入虚拟手术系统的结构组成,对国内外虚拟心血管介入手术的研究现状进行讨论,并详细分析了几款代表性产品的工作原理。通过对虚拟心血管介入手术系统中力反馈技术的关键技术开展研究,探讨了心血管介入虚拟手术技术的发展方向,从而提高心血管介入手术的手术训练效果和临床成功率。

手功能康复机器人技术

手功能康复机器人是一种帮助手外伤或偏瘫患者逐步恢复手指运动功能的医疗康复机器人,结合了康复医疗理论和机器人技术。讨论了国内外手功能康复机器人的研究现状,依据人手生物力学特性和临床康复医疗训练要求,从提供机构驱动力的不同方式出发,围绕现有手功能康复机器人的机械结构设计、运动学和动力学、控制系统设计、力觉和位置信息反馈等问题展开了阐述,分析了目前手功能康复机器人存在的不足和解决途径,在此基础上,对其研究前景进行了展望。

肌电传感器加速度计在良性阵发性位置性眩晕患者平衡功能检测中的应用

目的用肌电传感器加速度计评估良性阵发性位置性眩晕(BPPV)患者平衡功能。方法选择2017年11月至2018年11月确诊的单侧原发性BPPV患者25例(病例组)和健康者18例(对照组);病例组再按病变部位分为后半规管-BPPV(PC-BPPV)亚组(20例)和水平半规管-BPPV(HC-BPPV)亚组(5例)。采用可穿戴式嵌入肌电传感器的加速度计观察动静态平衡功能。肌电传感器分别固定在患者左脚、右脚、头部和腰部,加速度计采集模块有前后、左右和垂直方向3个轴,采集站立和运动过程中的加速度信号,采样频率148 Hz。静态平衡试验包括睁眼静止站立和闭眼静止站立(用时各30 s),动态平衡试验为自然状态往返行走2次(距离20 m)。主要采集站立时的静态平衡参数:加速度的均方根(RMS)、平均速度(MV)、姿势摆动平滑度指标(Jerk);行走时的动态平衡参数:步态周期、步频、单步时、支撑相所占百分率(%)等数据。结果 PC-BPPV亚组和HC-BPPV亚组睁眼、闭眼时静态平衡参数与对照组比较均有差异。PC-BPPV亚组睁眼和闭眼站立期间摆动的RMS、MV和Jerk参数均显著大于对照组(P <0. 05),且闭眼站立期间的差异更大(P <0. 01)。HC-BPPV亚组睁眼站立期间摆动的RMS、MV和Jerk参数与对照组比较差异无显著性,闭眼站立期间摆动的Jerk参数显著大于对照组(P <0. 05)。与对照组比较,PC-BPPV和HC-BPPV亚组的步态周期和单步时间显著延长(P <0. 05),步频显著较小(P <0. 05),而左脚、右脚支撑相所占百分率以及双脚支撑相所占百分率差异无显著性(P> 0. 05)。结论 BPPV患者的静态和动态平衡功能均存在缺陷,BPPV也许并不良性。平衡功能检查可为BPPV的诊断、治疗和康复提供客观依据。