计算机辅助个性化股骨假体移植设计方案的探讨

摘要：近年来关节性疾病的不断增加，给患者在生活中带来了诸多不便，严重者丧失运动功能，生活质量不断降低，为了改善这一局面，在临床上最好的治疗方法就是进行人工假体的移植。随着计算机图像处理技术、仿真技术的不断发展，在临床手术之前，可以进行手术方案的仿真模拟，从而提高手术的准确性，该文针对股骨假体的个性化设计及移植仿真进行研究，为临床手术提供有效的治疗方案，达到延长股骨假体使用寿命长，患者生活水平提高，手术成本降低的目的。

关键词：个性化；股骨；假体；仿真

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0244-02

1 引言

随着计算机图形处理技术、仿真技术的不断发展，计算机辅助临床诊断、手术等应用越来越广泛，特别是在骨科临床领域的应用，计算机辅助骨科智能导航术成为骨科手术的首选方案。此应用在处理人工关节置换方面的意义也尤为重大，它不仅可以改变传统手术医生只能依靠平时经验在大脑里进行术前模拟的状况，而且实现了手术设计方案的资源共享，更重要的是可以有效地解决移植人工假体后引起的并发症等问题。针对上述问题，提出了相应的解决方案，一是依据个性化数据，量体裁衣，设计、制造在形态学、生物力学、材料力学等方面能最佳适应个体股骨假体解剖特点的个性化、定制式的人工股骨假w；二是手术前仿真模拟、演练移植假体过程、精确预知移植后的效果。运用逆向工程技术原理及计算机仿真技术应用于术前手术仿真、移植假体设计制造等提供了现实途径， 为临床制定个性化股骨假体置换术前手术设计方案，确定股骨假体型号及手术预见效果，提供实体模型和设计依据[1]。

2个性化股骨假体移植的计算机仿真研究的具体实施方案

首先选取适合的成人股骨标本，运用逆向工程技术原理，采用医用CT技术结合数字化三维医学影像交互式控制系统Mimics软件重建活体股骨三维模型，然后根据Billing等定义及立体解析几何的原理，使用计算机辅助精准、半自动化地测量股骨头直径、容积及中心位置、股骨颈直径、颈干角、髋臼前倾及外展角度、髋臼窝半径等重要解剖参数，再应用计算机仿真技术、计算机逼近曲面拟合算法及有限元力学分析ANSYS等工具软件，虚拟理想化人工股骨假体模型，研究其形态；虚拟其移植过程，比较活体股骨关节重建模型及假体移植后的力学分布曲线，为人工股骨假体置换术前三维可视化、优化手术方案以及研制适合各人不同体质、高匹配度及最佳力学曲线分布的定制股骨假体移植等提供技术支持、实体模型和设计依据，在条件成熟时，将此技术应用于临床实验，具体在以下六个方面进行实施。

（1）选取适合的成人股骨标本，利用逆向工程技术原理，根据Billing等定义及立体解析几何的原理，探讨出一种精准、简便的股骨颈前倾角测量方法，推导出股骨颈前倾角公式，采用公式法计算右侧前倾角结果，对比传统测量结果；

（2）基于上述方法和测量过程，系统测量左右侧髋臼前倾及外展角度、髋臼窝半径等重要解剖学参数，为人工股骨假体置换手术及个性化定制假体设计提供解剖学基础并初步探讨临床应用软件设计与开发[2]；

（3）股骨三维可视化和形态学研究。采用股骨螺旋CT数据，结合数字化三维医学影像交互式控制系统Mimics软件，半自动分割髋臼窝、股骨头、股骨颈及股骨干，利用体素重建的方法对股骨假体及股骨同时进行三维重建，从不同的角度观察股骨三维立体及其周围重要组织的毗邻关系，并在模型上进行三维解剖学测量，探讨其临床应用，并为股骨假体移植、微创手术、立体定位、导航系统及仿真人工假体设计提供三维可视化模型[3]；

（4）利用有限元分析软件ANSYS对完整股骨及股骨假体间接触配合进行分析，构建正常成年人股骨三维有限元模型，模拟直接暴力作用股骨干横界面生物力学研究，计算骨与假体接触后的载荷情况，垂直水平面分别加载300-500N载荷，观察载荷不断增加后关节及股骨的应力曲线分布，提示股骨干以其内侧中下1/3交界处的应力最大，从而为假体材料和植入后的研究提供有限元力学分析基础。

（5）根据所测得的相关解剖学参数，设计个性化形态学的假体模型，同时模拟具有理想形态学的人工股骨假体植入。导入3D功能模块，虚拟三维空间精确调整假体移植进人体中的位置。在计算机中成功仿真实现个性定制假体等手术，并可预见和评估手术的结果，从而制定出最优的手术方案。患者所需的个性化股骨假体和髋臼杯的型号将以报告的形式输出，为提高手术成功率及延长假体植入的寿命提供了一条新的、精确合理的途径。

（6）经过所有样本的虚拟仿真测试，得到一套有效的治疗步骤，将其应用到具体临床实验，进一步总结其存在的问题，验证利用计算机辅助治疗股骨假体移植的方法优于传统治疗手术方案，其临床应用价值更高。

3 个性化股骨假体移植的计算机仿真研究的技术路线

在实施过程中，特别要注重标本数据的准确采集，同时在定制个性化假体过程中，重建假体三维模型、选取适合材料进行假体定制、利用仿真系统进行假体移植，都是手术方案设计的重要组成部分。个性化股骨假体移植的计算机仿真研究具体实施的技术路线：

4 讨论

个性化股骨假体移植的计算机仿真研究首先探讨一种精准、简便的股骨颈前倾角测量方法，对股骨三维可视化和形态学进行研究，结合数字化三维医学影像交互式控制系统Mimics软件，利用体素重建的方法对股骨假体及股骨同时进行三维重建，并在模型上进行三维解剖学测量，探讨其临床应用，并为人工假体设计提供三维可视化模型，再利用有限元分析软件ANSYS对完整股骨及股骨假体间接触配合进行分析，构建正常成年人股骨三维有限元模型，模拟具有理想形态学的人工股骨假体植入。根据所测得的相关参数，设计理想形态学的假体模型，导入3D功能模块，虚拟三度空间精确调整假体植入体中的位置并在计算机中成功的实现个性定制假体等手术，并可预见和评估手术的结果，从而制定出最优的手术方案，进行具体临床实验。

该研究根据人工股骨假体置换术前三维可视化、优化手术方案以及研制适合个体差异的个性股骨假体产品，来解决股骨假体移植手术由于术后经常出现假体松动、术后多种并发症，从而造成假体关节脱位、返修等诸多问题。为临床制定股骨假体置换术前方案，确定股骨假体型号及手术预见效果，提供实体模型和设计依据，研究成果可以显著降低手术风险、提高手术成功率，减少术后并发症，延长假体的寿命，提高假体匹配率[4]。

参考文献：

[1] 刘斌.股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究[D].大连：大连理工大学，2009.

[2] 吴淑琴.股骨皮质骨生物力学特性研究[J].中北大学学报，2012，33（2）：216-220.

[3] 周勇，邹春华，张朝跃.人工股骨头的特殊设计及三维重建[J].中国组织工程研究，2013，43（17）：7581-7586.

[4] 李毅中，李建龙，林金矿，等.股骨颈内侧径测量法术前选择股骨假体型号[J].中国组织工程研究与临床康复，2010，14（30）：5535-5538.