医学影像资料三维重建及在解剖学教学中的应用

目的探讨利用三维重建软件构建人体三维模型在解剖学教学中应用。方法采集层厚为1mm的颈、胸部CT影像,利用三维重建软件Mimics对其进行三维重建,并将重建模型应用于本科学生的理论教学中,课后收集学生的学习感受。结果通过三维重建软件Mimics进行图像重建,清楚直观地再现胸廓整体的三维结构,也可单独显示肺、颈椎、胸椎、肋骨、胸骨等结构的三维形态。学生普遍反应学习效率提高。结论利用三维重建可直观显示人体三维结构,应用于解剖学教学可获得良好效果。

有限元分析法在口腔生物力学领域的应用

在口腔医学中存在着大量的生物力学问题,有限元法是对人体的力学行为进行数值模拟的一种有效工具,其在口腔生物力学中的应用越来越广泛。本文综述了有限元法在解决口腔生物力学问题中的研究进展,包括口腔正畸、口腔修复、口腔种植、口腔颌面外科等领域的力学性能评价。有限元法为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础,为进一步研究口腔疾病治疗方法提供参考和借鉴。指出了有限元法在口腔生物力学中应用的不足以及三维模型重建和分析中需进一步改进和研究的问题。

变牙厚椎弓根螺钉的生物力学测试

目的评价不同变牙厚椎弓根螺钉（transitional thread pedicle screw,TTPS）对螺钉拔出力的影响。方法取新鲜小牛胸腰椎标本（T11~L4）5具,共30个椎体（60侧椎弓根）,剔除周围肌肉、筋膜,注意保持骨结构完整,解离成单个椎骨。平均骨密度为（1.186±0.182）g/cm2。TTPS规格有6种：A0（牙厚保持不变）、A1（逐牙加厚0.01mm）、A2（逐牙加厚0.02 mm）、A3（逐牙加厚0.03 mm）、A4（逐牙加厚0.04mm）、A5（逐牙加厚0.05 mm）。每种螺钉随机置入10侧椎弓根,将标本包埋好并用夹具固定在材料试验机上,设置椎弓根螺钉长轴与拔出力轴线方向重合。设置材料试验机加载速率为0.08 mm/s进行拔出实验,结果输出拔出力-位移曲线、最大轴向拔出力（Fmax）。计算拔出刚度。结果 A0至A5 6种螺钉的最大轴向拔出力分别为（983.99±324.19）、（1119.84±362.47）、（1067.67±398.00）、（900.04±255.89）、（799.07±406.79）、（850.71±408.11）N。6种不同规格TTPS轴向拔出力间无显著差异（组间差异P=0.216）。6种不同规格的TTPS的拔出刚度间无显著差异（组间差异P=0.07）。结论小范围增加螺纹牙厚,对椎弓根螺钉抗拔出力没有显著影响。

新型双向锁定骨外固定器的生物力学评价

目的对新设计的新型双向锁定骨外固定器进行生物力学评价。方法取7具成人尸体正常胫骨标本(对照组),制作中段骨折模型,根据骨断端间距(g=0、10 mm)、骨-外固定器杆间距(b-r=10、25、40和55 mm)的不同组合分成8个试验组(A～H组),使用新型双向锁定骨外固定器固定。应用BOSE机进行轴向压缩、扭转、前/后和内/外侧弯曲的力学测试,分别计算刚度值。并进行统计学分析。结果对照组的轴向压缩、前/后、内/外侧弯曲和扭转4种刚度与试验组比较均有显著性差异(P<0.05)。骨断端间距的差异对压缩、前/后弯曲、内/外侧弯曲3种刚度均有显著性意义(P<0.00);骨与连接杆间距的差异对上述3种刚度也均有显著性意义(P<0.05);但两者对扭转刚度均无显著性意义(P>0.05);两处理因素间均无交互效应(P值分别为0.054、0.527、0.819、0.065)。结论该新型双向锁定骨外固定器具有良好的稳定性。

自制加锁梅花针治疗股骨中下段骨折的生物力学测试

目的对自行研制的用于治疗股骨中下段骨折加锁梅花针进行生物力学测试,为临床应用提供生物力学基础。方法用6例新鲜成人股骨标本,制作股骨中上段骨折模型两种,梅花针固定;然后制作股骨下段骨折模型两种,加锁梅花针固定;最后利用股骨下段骨折模型交锁钉固定,每次作下一骨折模型前,用钢片张力带固定前一次的骨折线。依次对正常股骨标本、梅花针固定后的标本、加锁梅花针固定的标本、交锁钉固定的标本进行扭转测试、垂直压缩试验、4点弯曲试验,分析4组试验的实验数据。结果梅花针固定股骨中上段骨折、加锁梅花针固定股骨下段骨折和交锁钉固定的股骨下段骨折抗扭转测试中,均可以达到4Nm抗旋转刚度;轴向压缩试验中最大应变正常组和梅花针组、加锁梅花针组无明显差异,4点弯曲试验中梅花针与加锁梅花针和正常标本的弯曲刚度相近,交锁钉的抗弯曲刚度明显高于其他3者。结论加锁梅花针冶疗股骨中下段骨折,具有良好的生物力学性能,固定效果可靠。

腰椎后路椎间融合内固定有限元模型的建立及内固定物力学分析

目的建立腰骶椎椎间融合椎弓根钉内固定的有限元力学模型,并对椎弓根螺钉和融合器的应力分布进行生物力学评价。方法通过CT扫描、Mimics三维重建、Freeform表面处理和Ansys前处理等方法建立正常腰骶椎L4~S1节段有限元模型,并据此建立去除L5~S1椎间盘后椎弓根钉后路固定加椎间融合模型固定。并对模型进行前屈、后伸、侧弯和旋转加载分析,观察模型的钉棒结构、Cage在4种加载状态下的应力分布情况。结果前屈、后伸、侧弯和旋转加载时椎弓根钉应力主要集中在钉的尾部和钉棒交界处。Cage在旋转加载时应力集中在中部,在其它三种状态下的应力集中在前缘。在4种加载状态下棒钉结构和椎间融合器的最大应力值分别如下,前屈：2.96×107N/m2,5.65×106N/m2;后伸：2.98×107N/m2,6.08×106N/m2;侧弯：3.06×107N/m2,9.71×106N/m2;旋转：2.96×107N/m2,1.00×106N/m2;结论本实验成功建立了L4~S1节段后路椎间融合内固定的有限元模型,模型加载后的内固定应力分布符合临床观察,具有一定临床指导意义。

不同直径主钉及远端锁钉对交锁髓内钉力学性能影响的三维有限元分析

目的测定不同直径主钉及远端锁钉对交锁髓内钉刚度及应力分布的影响,为临床髓内钉的选择提供力学依据。方法选取临床常用的不同直径主钉及远端锁钉,建立A到F共6组髓内钉和一例股骨横断骨折三维有限元模型,导入ABAQUS进行有限元分析。测量锁钉刚度以及应力分布情况。结果各组模型应力均未达到屈服应力,主钉直径越大,刚度越大(P=0.005);远端锁钉直径越大,主钉最大应力越小(P=0.009);锁钉最大应力越小(P=0.006)。其中F组模型刚度最大,主钉最大应力,锁钉最大应力最小,分别为670.52 N/mm、276.5 Mpa、168.3 Mpa。结论临床常用髓内钉器械直径范围内,主钉、远端锁钉直径越大,交锁髓内钉越稳定。

3D打印技术促进临床医学发展

2012年4月，英国《经济学人》发表专题报告指出，全球工业正在经历第三次工业革命，认为这次革命是互联网和新材料、新能源相结合的工业革命，3D打印（3D Printing）技术作为“第三次工业革命的重要标志”[1]。3D打印技术可以使人们以更低的劳动力成本灵活地生产少量产品，从而使大规模的个性化生产成为可能，带来全球制造业的重大变革。

数控机床金属导板辅助无牙颌种植的实验研究

目的探讨利用数控机床(computer numerical control,CNC)制造个性化下颌无牙颌金属种植导板的新方法。方法 8具下颌无牙颌标本随机分为两组,分别运用CNC技术加工出金属导板、运用快速成型(rapid prototyping,RP)技术加工出树脂导板并测量其在体外实验中辅助置钉的精确性。结果CNC与RP导板在下颌骨中部水平面上的绝对偏差分别为(0.23±0.14)mm、(1.01±0.27)mm,差异有统计学意义(P=0.000);在矢状面上分别为(0.30±0.24)mm、(0.95±0.24)mm,差异有统计学意义(P=0.000)。结论在体外实验中,CNC金属下颌无牙颌种植导板辅助种植精确性高于RP树脂导板。

后向跌倒过程中脊柱胸腰段受力的实验及有限元研究

目的:以动力学仿真软件获取志愿者后向跌倒过程中胸腰段受力状况的运动、动力学数据,作为有限元加载条件,评估跌倒过程中脊柱局部应力情况。方法:选取1名健康志愿者(男性,27岁,175cm,70kg),随后对志愿者躯干进行CT扫描。然后,在Anybody人体建模仿真系统软件中建立骨骼肌肉模型,志愿者站立并后向倾斜30°,在无防备状态下后向摔倒构建跌倒过程中人体骨骼肌模型。根据志愿者CT数据建立并优化有限元模型,模型在施加7.5N·m力矩模拟前屈、后伸、左右侧弯及旋转范围,验证模型有效性后,将获取后向跌倒状态下着力点、应力传导方向及受力区应力值作为加载条件并赋予人体胸腰段有限元模型进行有限元分析。结果:Anybody人体建模仿真系统软件模拟后向跌倒实验中,志愿者呈无意识后向跌倒姿态,骶尾部最先着地;臀部与测力台冲击的总时间为1.14s,最大冲击力达4056N;模型以坐骨结节为力加载点,由骶尾部沿脊柱长轴向头部进行力学加载。有限元结果显示,应力经传导主要集中于T11~L2节段;在该节段中,椎体前缘平均应力达16.6MPa;上下关节突平均载荷达25.4MPa,椎板及椎弓根与椎体连接处也出现明显的应力集中,平均应力为26.2MPa。结论:后向跌倒时胸腰段所受应力较大,骨折风险较高。

头部钝器损伤实验与仿真分析

目的为了研究头部在钝器作用下的生物力学响应及损伤机理。方法利用CT图像数据和MRI图像数据对头部骨骼与内部软组织进行几何重建,然后画分网格,构建颅脑有限元模型。另一方面,对连于躯干的头部标本进行10 m/s的低速冲击,测试冲击部位接触力、顶部应变及冲击的对侧(枕部)加速度。把构建的有限元模型导入MADYMO软件进行相同条件下模拟仿真,从输出模块里输出相应部位的结果。结果仿真结果表明模型的头部接触力、顶部应变、对撞侧加速度与头部标本冲击实验测得值能较好吻合。结论建立的头部有限元模型及采用的仿真方法可满足头部钝器损伤的仿真研究需要。

三维可视化、3D打印及3D腹腔镜在肝肿瘤外科诊治中的应用

目的：研究三维可视化、3D打印、3D腹腔镜（3-3D技术）在肝脏肿瘤外科诊治中的应用价值。方法收集2013年11月~2015年1月22例肝脏肿瘤患者资料，首先进行上腹部薄层CT扫描，收集CT数据，然后利用MI-3DVS软件进行三维可视化、肝脏脉管分型、虚拟肝切除等术前规划。将三维可视化的STL文件打印3D物理模型，进行肝预切除面界定。采用3D腹腔镜进行解剖性肝切除。观察手术时间、术中出血量、实际肝切除体积、术后住院时间。结果肝动脉按Michels分型：Ⅰ型19例，Ⅱ型2例，Ⅷ型1例；门静脉按Cheng分型：Ⅰ型17例，Ⅱ型2例，Ⅲ型2例，Ⅳ型1例。肝静脉根据Nakamura分型：Ⅰ型10例，Ⅱ型7型，Ⅲ型5例。虚拟切除肝体积490±228 ml，残肝体积885±139 ml；残肝体积与功能肝体积之比0.71±0.11。3D打印模型立体显示了肝肿瘤和脉管的空间关系。20例完成腹腔镜肝切除术，2例中转开腹。手术时间186±92 min，术中出血量284±286 ml，实际切除肝体积491±192 ml，术后住院时间为8.6±3.7 d。结论3-3D技术有助于术前安全评估、关键解剖部位的定位、实时导航手术和解剖性肝切除术。

复杂髋臼骨折复位及内固定的数字技术模拟研究

目的探讨数字医学技术在复杂髋臼骨折复位及手术模拟中的应用。方法采集1例髋臼骨折患者的骨盆CT图像,在Mimics 14.01软件上进行三维重建,并利用Geomagic Studio 11.0软件进行骨折的复位和内固定的手术模拟,提出手术指导方案。术后三月再次采集患者骨盆CT图像,三维重建后与术前设计进行比较,评价应用数字技术开展复杂髋臼骨折的术前设计的效果。结果根据Tile分型:该病例为C2-3型。Mimics软件重建的骨盆三维模型可准确反映复杂性髋臼骨折的三维立体结构,利用Geomagic软件移动骨折碎片,进行骨折复位,并精确测量出相关的各项数据和进行内固定的放置设计。术后随访钢板与螺钉非常接近术前设计的位置。结论应用数字医学技术有助于直观地显示骨盆内部情况并明确分型,并能实现骨折复位及内固定模拟等操作,实现复杂髋臼骨折的术前设计,提高了手术精确性。

虚拟现实环境下的女性盆腔三维重建和可视化

目的:虚拟现实(VR)环境下建立女性盆腔三维可视化数字模型。方法:应用女性盆腔CT扫描数据,在Dextroscope平台进行女性盆腔三维重建和可视化研究。结果:在VR环境下成功重建出女性盆腔的三维图像,该模型可在任意角度、任意平面清楚显示女性盆腔内主要脏器及其空间立体位置关系。结论:三维可视化女性盆腔数字模型能够提供女性盆腔结构的虚拟解剖,为妇产科及外科手术治疗提供个体化的准确的形态学依据,并为虚拟手术提供立体的操作环境。

下颌骨撞击试验与有限元分析

目的利用MTS-858生物材料试验机进行下颌骨撞击试验和三维有限元分析方法揭示下颌骨骨折生物力学机制。方法根据Hanau合架原理,3例标本分别制备成下颌骨撞击模型,MTS-858生物材料试验机进行下颌骨颏部水平方向撞击试验。人体下颌骨标本利用激光三维扫描系统获得下颌骨模型,有限元软件ANSYS7.0分析。结果3例标本均在颏部骨折,下颌骨颏部撞击力峰值为(2151.10±125.18)N;响应时间为(17.3±2.3)ms。ANSYS动态显示下颌骨颏部受到撞击后下颌骨内部的应力变化,颏部撞击点应力最大,应力变化曲线显示在颏部距上缘1.92cm处出现峰值,最大应力为3201.35kPa。结论下颌骨撞击试验和三维有限元方法结合量化了颏部受力下颌骨骨折的有关参数,为揭示任意合位下颌骨撞击下颌骨骨折的生物力学机制奠定基础。

以有限元分析为目标的Mimics颈椎建模的新思路

目的研究以有限元分析为目标的使用Mimics软件三维重建颈椎的方法。方法导入CT断层图像到Mimics软件,选取合适的灰度阈值,确定仅含C3~6四个颈椎整体的断层图像,使用单象素编辑擦除工具区分相邻椎骨的间隙,采用三维重建命令建立各个颈椎模型。结果 C3~6三维模型中椎体和椎体之间的间隙呈现出前后低、中间高的特征,两两相邻椎骨的关节突间隙为一个象素甚至为零,4个颈椎三角片数量为78 300,节点数量为39 133,所获得颈椎C3~6模型边界清晰、关节突间距微小适合进行有限元网格划分和分析。结论在Mimics中先包含整体然后区分相邻颈椎边界的方法所建立的颈椎模型其边界清晰且间距微小,适合进行有限元网格划分和分析。

使用碱性蛋白酶去除人体骨骼标本软组织的技术研究

未防腐的人体骨骼标本的常用制备方法包括自然腐蚀法、水煮法和药液浸泡法[1],1989年开始有动物解剖学者尝试使用蛋白酶分解蛋白的方式来去除(仓鼠和家兔)肌肉组织来获取骨骼标本,他们使用蛋白酶的浓度为0.3%~0.5%[2-4]。

下腰椎融合术后路单、双侧椎弓根固定的有限元比较研究

目的建立正常人L4～5节段椎间盘切除后单/双侧椎弓根螺钉固定椎间融合的有限元模型,对两者在不同运动载荷下的稳定性和应力分布进行比较研究。方法通过正常人L4～5节段CT扫描获取断层图像,然后利用mimics软件重建人体L4～5三维模型,再通过Ansys软件前处理功能建立有限元模型,并在此基础上分别建立椎间盘切除后单侧（A）、双侧（B）椎弓根螺钉固定＋椎间Cage融合模型,对两组模型分别施加5 N·m的前屈、后伸、左/右屈曲和左/右旋转载荷,比较分析椎体及植入物在不同工况下的位移及应力峰值。结果各种工况下,A组在固定侧侧屈时椎体间位移及椎弓根螺钉应力峰值最大,在后伸时椎体应力峰值最大。B组在后伸时椎体间位移峰值最大,在旋转时螺钉及椎体应力峰值最大。在后伸和固定侧侧屈工况下A组椎体间位移峰值、螺钉及椎体应力峰值较B组相差最大。结论与双侧固定相比,单侧固定融合术后在固定侧侧屈及后伸工况下发生不稳及螺钉松动、断钉的潜在风险最大。单侧固定融合术后的病人在椎间骨融合前应特别减少后伸及固定侧侧屈动作,以降低风险。

副神经的定位及其临床意义

目的:为有关的手术准确定位副神经提供解剖学基础。方法:12具(24侧)成人尸体标本。解剖观测副神经的行程、毗邻、体表标志、分支分布、与其与周围神经的关系。结果:副神经进入胸锁乳突肌后,75%肌支为两支,25%为1支。副神经在胸锁乳突肌后缘穿出点距耳大神经在胸锁乳突肌后缘穿出点上方(1.24±0.51)cm,距锁骨中点(10.72±1.67)cm,距胸锁关节(12.46±1.19)cm。副神经在颈后三角内位置表浅,副神经进入斜方肌点距锁骨中点(4.95±1.62)cm,沿途发出支配斜方肌的分支。结论:副神经有较为恒定的标志,上述测量的副神经体表定位有助于在有关手术中可以有效地保护或快速寻找副神经。

关节外科人体解剖学系列讲解(二) 髋关节后外侧入路

髋关节后外侧入路是髋关节人工假体置换术最常采用的入路，也称为K-L入路、Gibson入路。该入路由Kocher—Langenbeck首先介绍推荐，并由Gibson进行了推广，因其入路操作简捷，显露充分且不损伤髋关节部臀中肌等外展装置，有利于术后功能的迅速恢复，因此是一个十分理想且实用的手术入路。