基本信息
- 項目名稱：
- 個性化定制髖關(guān)節(jié)假體的三維CAD設(shè)計方案及虛擬移植的研究
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡介：
- 假體松動、雙下肢不等長等是全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)術(shù)后主要的并發(fā)癥，是導(dǎo)致假體關(guān)節(jié)脫位、返修的主要原因。這與植入的標準化假體與患者個體化的骨髓腔匹配程度較低、臨床醫(yī)師多數(shù)憑著經(jīng)驗決定手術(shù)方案及假體植入后力的傳入途徑發(fā)生了根本變化等因素密切相關(guān)。 “醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實與可視化”因其應(yīng)用價值大、前景廣，已成為醫(yī)工交叉的研究前沿。本研究依據(jù)反求工程技術(shù)原理，采用薄層CT掃描數(shù)據(jù)計算機輔助重建活體髖關(guān)節(jié)三維CAD模型；基于Billing等定義及立體解析幾何原理，計算機輔助、精準、半自動化地分別測量股骨頭直徑、容積及中心位置、頸干角、髖臼前傾及外展角度、髖臼窩半徑等重要解剖參數(shù)；基于上述參數(shù)，采用計算機逼近擬合算法及有限元力學(xué)分析等工具，虛擬理想化假體模型及假體植入，比較活體髖關(guān)節(jié)重建模型及假體植入后的力學(xué)分布曲線，為人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前三維可視化、優(yōu)化手術(shù)方案以及研制適合國人體質(zhì)、高匹配度及最佳力學(xué)曲線分布的定制髖關(guān)節(jié)假體等提供技術(shù)探討、實體模型和設(shè)計依據(jù)。
- 詳細介紹：
- 全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中植入的假體多為生產(chǎn)商制造的標準化產(chǎn)品，由于受產(chǎn)品規(guī)格限制，使得假體與患者骨的匹配程度較低，術(shù)后易出現(xiàn)雙下肢不等長的現(xiàn)象，不同程度影響了患者的術(shù)后生活質(zhì)量。假體的松動是全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)術(shù)后另一個主要的并發(fā)癥，也是導(dǎo)致假體關(guān)節(jié)脫位、返修的主要原因。這除了假體與患者骨的匹配程度較低有關(guān)外，還與另外兩個因素有關(guān)，一是術(shù)中臨床醫(yī)師大多數(shù)憑著自己的經(jīng)驗決定植入假體的位置和深度以及切除壞死股骨頸的高度，導(dǎo)致假體與股骨有效髓腔的契合度降低，出現(xiàn)術(shù)后雙肢不等長，假體下沉等現(xiàn)象；二是植入假體后力的傳入途徑發(fā)生了根本的變化，關(guān)節(jié)應(yīng)力直接通過假體傳到髖關(guān)節(jié)，而不同于生理關(guān)節(jié)的應(yīng)力通過骨小梁從髖關(guān)節(jié)傳到髖關(guān)節(jié)，造成應(yīng)力遮擋，使得骨組織被吸收而萎縮，減低其承載能力，改變應(yīng)力集中點，病人出現(xiàn)術(shù)后劇烈疼痛等現(xiàn)象。上述問題的理想化的解決方案，一是 “量體裁衣”、設(shè)計、制造在形態(tài)學(xué)、生物力學(xué)、材料力學(xué)等方面能最佳適應(yīng)個體髖關(guān)節(jié)解剖特點的個體化、定做式人工髖關(guān)節(jié)；二是實際手術(shù)前虛擬、演練植入過程、精確預(yù)知植入后的效果。 多排螺旋CT和較高磁場MR等現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像設(shè)備對疾病的解剖顯示日益精細。計算機技術(shù)及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的顯著進步為運用反求工程技術(shù)原理及計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于術(shù)前手術(shù)虛擬、植入假體設(shè)計制造等提供了現(xiàn)實途徑。 本課題運用反求工程技術(shù)原理，采用薄層CT掃描數(shù)據(jù)計算機輔助重建活體髖關(guān)節(jié)三維CAD模型；基于Billing等定義及立體解析幾何原理，計算機輔助、精準、半自動化地分別測量股骨頭直徑、容積及中心位置、頸干角、髖臼前傾及外展角度、髖臼窩半徑等重要解剖參數(shù)；應(yīng)用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機逼近擬合算法及有限元力學(xué)分析等工具，虛擬理想化假體模型,研究其形態(tài)學(xué)；虛擬假體植入，比較活體髖關(guān)節(jié)重建模型及假體植入后的力學(xué)分布曲線，為人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前三維可視化、優(yōu)化手術(shù)方案以及研制適合國人體質(zhì)、高契合度及最佳力學(xué)曲線分布的定制髖關(guān)節(jié)假體等提供技術(shù)探討、實體模型和設(shè)計依據(jù)。 為此，本組研究分別從以下五個方面展開： （1）探討一種精準、簡便的股骨頸前傾角測量方法及其臨床應(yīng)用及其臨床應(yīng)用；推導(dǎo)出股骨頸前傾角公式，采用公式法計算右側(cè)前傾角為17.3251°±1.1345°，傳統(tǒng)法測量16.853°±7.631°； （2）基于以上方法和測量過程，系統(tǒng)測量左右側(cè)髖臼前傾角等解剖學(xué)參數(shù)，為人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)及個性化定制假體設(shè)計提供解剖學(xué)基礎(chǔ)并初步探討臨床應(yīng)用軟件設(shè)計與開發(fā)； （3）髖關(guān)節(jié)三維可視化和形態(tài)學(xué)研究。采用髖關(guān)節(jié)螺旋CT數(shù)據(jù)，半自動分割髖臼窩、股骨頭、股骨頸及股骨干，體素重建的方法對髖關(guān)節(jié)及股骨同時進行三維重建，從不同的角度觀察髖關(guān)節(jié)三維立體及其周圍重要結(jié)果毗鄰關(guān)系，并在模型上進行三維解剖學(xué)測量，探討其臨床應(yīng)用；為髖關(guān)節(jié)手術(shù)治療、微創(chuàng)外科、立體定向、導(dǎo)航系統(tǒng)及虛擬假體設(shè)計提供三維可視化模型； （4）構(gòu)建正常成年人股骨三維有限元模型。模型導(dǎo)入ANSYS 10.0軟件后進行體網(wǎng)格劃分，并再導(dǎo)入Materialise軟件進行模型材料屬性賦值，在ABAQUS軟件定義邊界條件，模擬直接暴力作用股骨干橫界面生物力學(xué)研究，垂直水平面加載500N載荷，觀察載荷后關(guān)節(jié)及股骨的應(yīng)力曲線分布，提示股骨干以其內(nèi)側(cè)中下1／3交界處的應(yīng)力最大，應(yīng)力值分別為29.0Mpa，從而為假體材料和植入后的研究提供有限元力學(xué)分析基礎(chǔ)。 （5）模擬具有理想形態(tài)學(xué)的人工髖關(guān)節(jié)植入。根據(jù)所測得的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計理想形態(tài)學(xué)的假體模型，導(dǎo)入3D功能模塊，虛擬三度空間精確調(diào)整假體植入體中的位置。在計算機中成功的實現(xiàn)個性定制假體等手術(shù)，并可預(yù)見和評估手術(shù)的結(jié)果，從而制定出最優(yōu)的手術(shù)方案?；颊咚杓袤w和髖臼杯的型號將以報告的形式輸出，為提高手術(shù)成功率及延長假體植入的壽命提供了一條新的、精確合理的途徑。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 采用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機逼近擬合算法及有限元力學(xué)分析等工具，虛擬理想化假體模型,研究其形態(tài)學(xué)；虛擬假體植入，比較活體髖關(guān)節(jié)重建模型及假體植入后的力學(xué)分布曲線，篩選形態(tài)學(xué)、力學(xué)分布最優(yōu)化假體設(shè)計方案。模擬手術(shù)路徑，優(yōu)化手術(shù)方案，為人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前三維可視化、優(yōu)化手術(shù)方案以及研制適合國人體質(zhì)、高契合度及最佳力學(xué)曲線分布的定制髖關(guān)節(jié)假體等提供技術(shù)探討、實體模型和設(shè)計依據(jù)。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 1.發(fā)展了基于Billing等定義及立體解析幾何原理的計算機輔助精準、半自動化髖關(guān)節(jié)置換相關(guān)重要解剖參數(shù)測量方法； 2．首次虛擬理想假體模型構(gòu)建及其形態(tài)學(xué)研究； 3．首次對虛擬理想假體進行系統(tǒng)的有限元生物力學(xué)分析 4．首次提出兼顧形態(tài)學(xué)、力學(xué)分布最優(yōu)化的假體設(shè)計模型方案探討 5. 虛擬髖關(guān)節(jié)假體植入手術(shù)；
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 本實驗中提供的較為精確的測量方法和解剖學(xué)參數(shù)為臨床診斷髖臼畸形和手術(shù)提供了依據(jù)；三維可視化模型可以任意旋轉(zhuǎn)觀察患者的髖關(guān)節(jié)；有限元模型及虛擬手術(shù)方法將有利于臨床醫(yī)師制定髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)前方案，確定假體型號和大小的及預(yù)見手術(shù)效果，顯著降低手術(shù)風(fēng)險、提高手術(shù)成功率，減少術(shù)后并發(fā)癥，延長假體的壽命，提高假體匹配率。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 目的：為研制適合國人體質(zhì)、高契合度及最佳力學(xué)曲線分布的定制髖關(guān)節(jié)假體及優(yōu)化手術(shù)方案等提供技術(shù)探討、實體模型和設(shè)計依據(jù)。方法：1．反求工程技術(shù)原理計算機重構(gòu)30例健康成人在體髖關(guān)節(jié)三維模型； 2．根據(jù)Billing定義及解析幾何學(xué)原理推導(dǎo)出以定義的關(guān)鍵點坐標值為自變量的股骨頸前傾角計算公式，自動計算前傾角等參數(shù)； 3．計算機輔助擬合髖臼窩、股骨頭、股骨上段髓腔等形態(tài)； 4．虛擬假體植入,分離骨皮質(zhì)和髓腔,虛擬生理不同受力情境,有限元力學(xué)分析軟件分析其力線分布； 5.根據(jù)上述結(jié)果篩選形態(tài)學(xué)、力學(xué)分布最優(yōu)化假體，優(yōu)化手術(shù)方案； 結(jié)果：1．推導(dǎo)出股骨頸前傾角公式，測量重要形態(tài)學(xué)參數(shù)； 2．重建出了髖關(guān)節(jié)三維可視化模型并可任意、實時旋轉(zhuǎn)觀察； 3．股骨三維有限元模型以內(nèi)側(cè)中下1／3交界處的應(yīng)力最大，應(yīng)力值為29.0MPa； 4．計算機虛擬實現(xiàn)個性定制假體等手術(shù)，并可預(yù)見和評估手術(shù)的結(jié)果、最優(yōu)化手術(shù)方案?；颊咚杓袤w和髖臼杯的型號以文本報告的形式輸出。 結(jié)論：上述公式、三維有限元模型及假體設(shè)計、虛擬植入等可應(yīng)用于定制理想髖關(guān)節(jié)假體設(shè)計及優(yōu)化手術(shù)方案。
獲獎情況
- 暫無
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
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同類課題研究水平概述
- 近幾年來,隨著計算機圖形學(xué)、圖像學(xué)的發(fā)展，以及計算機圖形處理速度的迅速提高，圖像研究從二維到三維重構(gòu)，發(fā)展到目前的重構(gòu)三維圖像和醫(yī)療器械的結(jié)合組成的手術(shù)規(guī)劃、仿真技術(shù)——計算機輔助手術(shù)。傳統(tǒng)的骨科手術(shù)，醫(yī)生只能在大腦里進行術(shù)前模擬，其設(shè)計方案需憑經(jīng)驗，而且不能共享。而計算機輔助手術(shù)代替醫(yī)生進行手術(shù)方案的三維構(gòu)思比較客觀、定量，且可以共享，在可視環(huán)境下，手術(shù)靶點圖像能達到自然模擬、逼真體驗的效果。使得外科醫(yī)生在計算機中能感知進行假體選取，假體與肢體的對線、術(shù)后肢體的運動模擬等操作直至準確為止。這對臨床醫(yī)生特別是經(jīng)驗較少的外科醫(yī)生有極大的幫助，可以幫助他們在虛擬環(huán)境下進行手術(shù)的模擬和訓(xùn)練。當(dāng)遇到某些股骨及髖臼解剖學(xué)畸變病例時,醫(yī)生可在計算機可視化條件下，獲得股骨與髖臼的虛擬原型，進行診斷及提出精確的手術(shù)計劃，進而設(shè)計出個體化人工髖關(guān)節(jié)假體。 在個體化人工髖假體CAD及CAM方面，一些發(fā)達國家已做了很多工作，并將之應(yīng)用于臨床。在設(shè)計制造方面，從1974年CAD技術(shù)首次在THA領(lǐng)域為個體化人工全髖關(guān)節(jié)設(shè)計開始，隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代影像技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助設(shè)計和制造（CAD/CAM）在人工關(guān)節(jié)方面的應(yīng)用也日益廣泛。近年來，計算機輔助設(shè)計最活躍的領(lǐng)域是骨科，并廣泛用于關(guān)節(jié)外科、脊柱外科、骨腫瘤以及創(chuàng)傷骨科。隨著骨科手術(shù)的智能化、微創(chuàng)化得發(fā)展趨勢，計算機輔助骨科導(dǎo)航術(shù)有可能成為骨科手術(shù)的首選方案。
