計(jì)算機(jī)輔助個(gè)性化股骨假體移植設(shè)計(jì)方案的探討

姜燕

摘要：近年來關(guān)節(jié)性疾病的不斷增加，給患者在生活中帶來了諸多不便，嚴(yán)重者喪失運(yùn)動(dòng)功能，生活質(zhì)量不斷降低，為了改善這一局面，在臨床上最好的治療方法就是進(jìn)行人工假體的移植。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，在臨床手術(shù)之前，可以進(jìn)行手術(shù)方案的仿真模擬，從而提高手術(shù)的準(zhǔn)確性，該文針對(duì)股骨假體的個(gè)性化設(shè)計(jì)及移植仿真進(jìn)行研究，為臨床手術(shù)提供有效的治療方案，達(dá)到延長股骨假體使用壽命長，患者生活水平提高，手術(shù)成本降低的目的。

關(guān)鍵詞：個(gè)性化；股骨；假體；仿真

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）35-0244-02

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助臨床診斷、手術(shù)等應(yīng)用越來越廣泛，特別是在骨科臨床領(lǐng)域的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助骨科智能導(dǎo)航術(shù)成為骨科手術(shù)的首選方案。此應(yīng)用在處理人工關(guān)節(jié)置換方面的意義也尤為重大，它不僅可以改變傳統(tǒng)手術(shù)醫(yī)生只能依靠平時(shí)經(jīng)驗(yàn)在大腦里進(jìn)行術(shù)前模擬的狀況，而且實(shí)現(xiàn)了手術(shù)設(shè)計(jì)方案的資源共享，更重要的是可以有效地解決移植人工假體后引起的并發(fā)癥等問題。針對(duì)上述問題，提出了相應(yīng)的解決方案，一是依據(jù)個(gè)性化數(shù)據(jù)，量體裁衣，設(shè)計(jì)、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(gè)體股骨假體解剖特點(diǎn)的個(gè)性化、定制式的人工股骨假體；二是手術(shù)前仿真模擬、演練移植假體過程、精確預(yù)知移植后的效果。運(yùn)用逆向工程技術(shù)原理及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于術(shù)前手術(shù)仿真、移植假體設(shè)計(jì)制造等提供了現(xiàn)實(shí)途徑， 為臨床制定個(gè)性化股骨假體置換術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)方案，確定股骨假體型號(hào)及手術(shù)預(yù)見效果，提供實(shí)體模型和設(shè)計(jì)依據(jù)[1]。

2個(gè)性化股骨假體移植的計(jì)算機(jī)仿真研究的具體實(shí)施方案

首先選取適合的成人股骨標(biāo)本，運(yùn)用逆向工程技術(shù)原理，采用醫(yī)用CT技術(shù)結(jié)合數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)影像交互式控制系統(tǒng)Mimics軟件重建活體股骨三維模型，然后根據(jù)Billing等定義及立體解析幾何的原理，使用計(jì)算機(jī)輔助精準(zhǔn)、半自動(dòng)化地測量股骨頭直徑、容積及中心位置、股骨頸直徑、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)，再應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)逼近曲面擬合算法及有限元力學(xué)分析ANSYS等工具軟件，虛擬理想化人工股骨假體模型，研究其形態(tài)；虛擬其移植過程，比較活體股骨關(guān)節(jié)重建模型及假體移植后的力學(xué)分布曲線，為人工股骨假體置換術(shù)前三維可視化、優(yōu)化手術(shù)方案以及研制適合各人不同體質(zhì)、高匹配度及最佳力學(xué)曲線分布的定制股骨假體移植等提供技術(shù)支持、實(shí)體模型和設(shè)計(jì)依據(jù)，在條件成熟時(shí)，將此技術(shù)應(yīng)用于臨床實(shí)驗(yàn)，具體在以下六個(gè)方面進(jìn)行實(shí)施。

（1）選取適合的成人股骨標(biāo)本，利用逆向工程技術(shù)原理，根據(jù)Billing等定義及立體解析幾何的原理，探討出一種精準(zhǔn)、簡便的股骨頸前傾角測量方法，推導(dǎo)出股骨頸前傾角公式，采用公式法計(jì)算右側(cè)前傾角結(jié)果，對(duì)比傳統(tǒng)測量結(jié)果；

（2）基于上述方法和測量過程，系統(tǒng)測量左右側(cè)髖臼前傾及外展角度、髖臼窩半徑等重要解剖學(xué)參數(shù)，為人工股骨假體置換手術(shù)及個(gè)性化定制假體設(shè)計(jì)提供解剖學(xué)基礎(chǔ)并初步探討臨床應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)[2]；

（3）股骨三維可視化和形態(tài)學(xué)研究。采用股骨螺旋CT數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)影像交互式控制系統(tǒng)Mimics軟件，半自動(dòng)分割髖臼窩、股骨頭、股骨頸及股骨干，利用體素重建的方法對(duì)股骨假體及股骨同時(shí)進(jìn)行三維重建，從不同的角度觀察股骨三維立體及其周圍重要組織的毗鄰關(guān)系，并在模型上進(jìn)行三維解剖學(xué)測量，探討其臨床應(yīng)用，并為股骨假體移植、微創(chuàng)手術(shù)、立體定位、導(dǎo)航系統(tǒng)及仿真人工假體設(shè)計(jì)提供三維可視化模型[3]；

（4）利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)完整股骨及股骨假體間接觸配合進(jìn)行分析，構(gòu)建正常成年人股骨三維有限元模型，模擬直接暴力作用股骨干橫界面生物力學(xué)研究，計(jì)算骨與假體接觸后的載荷情況，垂直水平面分別加載300-500N載荷，觀察載荷不斷增加后關(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，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）根據(jù)所測得的相關(guān)解剖學(xué)參數(shù)，設(shè)計(jì)個(gè)性化形態(tài)學(xué)的假體模型，同時(shí)模擬具有理想形態(tài)學(xué)的人工股骨假體植入。導(dǎo)入3D功能模塊，虛擬三維空間精確調(diào)整假體移植進(jìn)人體中的位置。在計(jì)算機(jī)中成功仿真實(shí)現(xiàn)個(gè)性定制假體等手術(shù)，并可預(yù)見和評(píng)估手術(shù)的結(jié)果，從而制定出最優(yōu)的手術(shù)方案?；颊咚璧膫€(gè)性化股骨假體和髖臼杯的型號(hào)將以報(bào)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。

（6）經(jīng)過所有樣本的虛擬仿真測試，得到一套有效的治療步驟，將其應(yīng)用到具體臨床實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步總結(jié)其存在的問題，驗(yàn)證利用計(jì)算機(jī)輔助治療股骨假體移植的方法優(yōu)于傳統(tǒng)治療手術(shù)方案，其臨床應(yīng)用價(jià)值更高。

3 個(gè)性化股骨假體移植的計(jì)算機(jī)仿真研究的技術(shù)路線

在實(shí)施過程中，特別要注重標(biāo)本數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，同時(shí)在定制個(gè)性化假體過程中，重建假體三維模型、選取適合材料進(jìn)行假體定制、利用仿真系統(tǒng)進(jìn)行假體移植，都是手術(shù)方案設(shè)計(jì)的重要組成部分。個(gè)性化股骨假體移植的計(jì)算機(jī)仿真研究具體實(shí)施的技術(shù)路線：

4 討論

個(gè)性化股骨假體移植的計(jì)算機(jī)仿真研究首先探討一種精準(zhǔn)、簡便的股骨頸前傾角測量方法，對(duì)股骨三維可視化和形態(tài)學(xué)進(jìn)行研究，結(jié)合數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)影像交互式控制系統(tǒng)Mimics軟件，利用體素重建的方法對(duì)股骨假體及股骨同時(shí)進(jìn)行三維重建，并在模型上進(jìn)行三維解剖學(xué)測量，探討其臨床應(yīng)用，并為人工假體設(shè)計(jì)提供三維可視化模型，再利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)完整股骨及股骨假體間接觸配合進(jìn)行分析，構(gòu)建正常成年人股骨三維有限元模型，模擬具有理想形態(tài)學(xué)的人工股骨假體植入。根據(jù)所測得的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)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并在計(jì)算機(jī)中成功的實(shí)現(xiàn)個(gè)性定制假體等手術(shù)，并可預(yù)見和評(píng)估手術(shù)的結(jié)果，從而制定出最優(yōu)的手術(shù)方案，進(jìn)行具體臨床實(shí)驗(yàn)。

該研究根據(jù)人工股骨假體置換術(shù)前三維可視化、優(yōu)化手術(shù)方案以及研制適合個(gè)體差異的個(gè)性股骨假體產(chǎn)品，來解決股骨假體移植手術(shù)由于術(shù)后經(jīng)常出現(xiàn)假體松動(dòng)、術(shù)后多種并發(fā)癥，從而造成假體關(guān)節(jié)脫位、返修等諸多問題。為臨床制定股骨假體置換術(shù)前方案，確定股骨假體型號(hào)及手術(shù)預(yù)見效果，提供實(shí)體模型和設(shè)計(jì)依據(jù)，研究成果可以顯著降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、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[4]。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 周勇，鄒春華，張朝躍.人工股骨頭的特殊設(shè)計(jì)及三維重建[J].中國組織工程研究，2013，43（17）：7581-7586.

[4] 李毅中，李建龍，林金礦，等.股骨頸內(nèi)側(cè)徑測量法術(shù)前選擇股骨假體型號(hào)[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2010，14（30）：5535-5538.