基于全膝关节置换的三维术前规划实践

目的:通过关节置换虚拟手术,以有限元法全面分析术后的膝关节接触面的受力状况,借此数据制订"三维手术规划"督导关节置换临床手术。方法:以CT/MR扫描患侧膝关节,激光扫描假体,经逆向软件数字化重建假体、膝关节及其韧带并测量下肢力线,根据膝关节置换标准,以Mimics的Simulation性能模拟关节置换手术的截骨、假体植入术程,再将术后模型导入ANSYS划分网格、材料赋值、施加载荷,以有限元法分析接触应力分布。在这些力学数据所提炼成的"三维术前规划"的指导下施行20例(实验组)临床关节置换术,另外20例临床关节置换术作为对照组在无术前规划介导的情况下按传统术式施行。结果:筛选最佳的TKA模拟术后3D膝关节有限元模型,ANSYS分析数据与前人在力学实验中对假体直接测试所获得基本一致,其合理性由此确认。从这些基于TKA的虚拟资料所提炼出来的三维术前规划的指导下,实验组的临床手术精度(影像学测量及AKS评分)明显高于对照组。结论:以有限元方法分析出虚拟置换术后膝关节的结构形变、应力分布、内部能量变化等资料,提供了可靠的术前规划依据,有利于临床手术时寻找假体植入的最佳位置、优化截骨、预见手术结果,提高了关节置换的成功率。

有限元法在髋关节运动力学研究中的应用进展

人工关节置换术是治疗多种髋关节疾病的有效方式,置换后的运动生物力学研究日益受到重视。有限元法对复杂物体的运动生物力学分析具有独特优势,在人工髋关节置换术后的运动力学研究中有较多应用。该文回顾该领域文献,对有限元分析法应用于髋关节置换术后运动力学的研究进展作一综述,涉及髋臼及股骨体的应力应变分布、应力遮挡、假体松动、假体的优化设计、假体的初期稳定性以及肌肉力载荷影响等方面。

基于运动力学特征的膝关节结构重建分析

目的通过分析计算机辅助重建的膝关节来研究膝关节的运动力学特征。方法将经CT/MR扫描的原始数据输入到Mimics重建出三维模型,再经分割修补、除噪光顺等后处理,最后进行数字化测量和有限元分析。结果这些测量数据和力学分析使膝关节屈伸、滚动、滑动、侧移和轴位旋转等多个自由度的运动模式获得进一步剖析。结论建立在三维模型重塑基础上的结构分析对膝关节运动力学特征的阐述更加充分。

上肢运动学研究进展

人体上肢是人类各部分肢体中最灵活的部分,由手骨、尺骨、桡骨、肱骨以及相互协调运动的关节和肌肉、韧带等周围软组织组成,结构复杂,且具有重要的生理功能。在日常的生活中具有灵活性高、运动范围广、各部分协调性强等特点。人体上肢创伤性骨折、运动性损伤、慢性关节炎、关节畸形、肿瘤等疾病的发病率较高,对这些疾病的病因目前尚未完全清楚。

计算机辅助创建骨折内固定有限元示教模型的研究

目的:利用骨折三维仿真实体模型,描述骨折内固定有限元模型的创建过程,为骨科教学提供模式借鉴。方法:将Mimics17.0重建出来的完整股骨3D模型以STL格式导入逆向工程软件Geomagic studio 12.0,以平面截面功能模拟截骨,再经过"探测曲率→降级轮廓线→构造曲面片→构造格栅→拟合曲面"等步骤,拟合成NURBS曲面,再导入交互式CAD/CAM软件UG8.0,利用建模模块下的缝合功能缝合成三维仿真实体模型,利用三维绘图软件Pro E5.0绘制内固定模型,将骨折模型和内固定模型导入有限元前后处理软件Hypermesh11.0装配成骨折内固定系统,并在该软件下最终完成有限元模型的制作。结果:成功创建了生动、逼真且对有限元建模学习有启发作用的骨折内固定模型。这种以练代教的趣味模式充分调动了学生的自主性和积极性,学习成绩普遍提高。结论:医学生、实习生、进修生皆可从这些虚拟建模方法中更好地巩固生物力学知识,掌握骨科力学特征。计算机辅助教学为学生提供了广阔的实践平台,是革除应试教育弊端、培养学生创造能力的突破口,非常值得各大医院在教学实践中推广。

椎弓根置钉手术导航模板的个体化设计一例报告

目的设计1例椎弓根置钉手术个体化导航模板,简要评估其教学培训和临床实践的意义。方法2018年6月从广州医科大学附属第一医院放射科存有的CT数据中随机抽取一份,使用Mimics和Pro/E软件设计导航模板和螺钉,通过3D打印技术将其打印为实体,在现实中组合锁钉,观察导航模板与脊骨卡合的牢固性、钉道的对应精准度以及螺钉的长度是否符合前期设计,评估设计过程进行教学培训的可行性。结果导航模板与脊骨模型之间的卡合牢固稳定,用螺钉进行实际锁钉,导航模板通道与脊骨内预设钉道精准对应,螺钉进钉深度符合术前设计,在设计过程中进行教学培训应有着较为良好的效果。结论设计个体化脊术导航模板无论是应用于教学培训还是临床实践都有现实意义。

下肢撞击交叉韧带创伤的力学分析

目的:观察碰撞初期对膝关节前后交叉韧带造成的影响。方法:模拟汽车在30 km/h的情况下从正面与侧面对人体下肢撞击,基于MRI图像,用有限元前处理软件建立钢板撞击膝关节的三维模型,观察应力和位移分布趋势和数值。结果:正面碰撞时,位移和应力分布主要位于前交叉韧带与股骨连接的端点处;从侧面碰撞时,前交叉韧带应力主要分布于与股骨连接端点处和中下段外侧面,位移主要分布于外侧面受股骨挤压处。结论:若碰撞持续,最可能发生损伤和断裂的部位是前交叉韧带与股骨连接处,符合临床上前交叉韧带断裂常出现在股骨附着区的现象。

浅谈以练代教为主体的脊柱手术模拟演习

目的:为扭转外科学'师缺实训、学缺实操'导致的'高分低能'局面,搭建以练代教平台,让学生自己动手设计、演练脊柱仿真手术。方法:随机选取1名腰椎间盘突出症患者,用CT扫描其腰椎后,以*.dicom格式导入Mimics重建腰骨、骶骨、股骨三维模型,以*.stl格式导入Freeform Modeling,以计算机辅助设计软件ProE和Ghost SDK开发出仿真手术器械,在操纵杆Phantom引导下可视化演练腰椎间盘突出的内镜下椎盘摘除术。结果:清晰重建腰骶股骨三维模型,虚拟术械与真实器械几何外形酷似,虚拟脊柱手术高度仿真。结论:我们秉承实践出真知的古训,启用'以练代教'为主体的培养模式,身临其境的实操体验成效显著,既可为解剖课程提供教学案例,又可为实体外科手术提供规划。

关节置换虚拟手术的数字化背景

目的通过对模拟仿真手术发展进程的历史回顾,阐明关节置换虚拟手术的数字化背景。方法查阅国内外近年有关虚拟手术的最新文献,归纳、整理、总结出关节置换虚拟手术的数字化原理。结果遵循三维重建、图像融合、图像分割、人机交互、离线仿真等基本步骤,一些简易的虚拟手术在计算机软件辅助下得以实现。结论数字化技术贯穿着虚拟仿真二十多年的进程,这一高新医技既有科研效应,又有教学效能,更有临床效益,因而前景无限。

膝关节置换虚拟手术一例报道

虚拟手术通过人机交互,将手术台上医师对病人的诊疗行为数字化,映射到虚拟桌上排演程序对虚人遥控开刀的动画。本文报道一例膝关节置换手术,展示以Mimics中的Simulation性能模拟截骨、植入假体的过程。这类模拟手术在术前获得了手术部位信息,为置换术中的截骨正畸、假体植入等操作提供精准的预判,术中失误将随之减少,实习生也将因此而熟习外科教程,无论对临床或教学都有实用价值。