CroweIV型成人DDH股骨近端形态测量及(EBMRP)金属3D打印个性化人工股骨柄假体研究

摘要

第一部分 CroweIV型成人DDH股骨近端形态测量
　　目的：研究CroweIV型成人发育性髋关节发育不良（DDH）的股骨近端髓腔形态、股骨头形态及高位脱位特点，证实CroweIV型DDH高脱位的特殊解剖学改变，为CroweIV型成人 DDH的全髋关节置换术中股骨侧处理方法、以及为设计适用于CroweIV型成人DDH的3D打印个性化人工股骨柄假体提供参考依据。
　　方法：随机选择苏州大学附属第一医院骨科于2004年6月到2014年12月之间就诊的49例（58髋）CroweIV型成人DDH的股骨近端正侧位X线摄片资料，以及17例（17髋）三维CT影像资料（均为DICOM格式）。利用Osirix5.85软件测量每例股骨近端髓腔的径长参数，包括：小粗隆中点以上2cm处至小粗隆中点以下10cm处每隔1cm的髓腔内径、峡部内径、峡部内外侧皮质厚度、峡部高度、股骨头脱位距离。形态参数：包括股骨近端髓腔开大指数（CFI）、股骨干骺端髓腔开大指数及改良指数（MCFI、MCFI2）、股骨远端髓腔开大指数（DCFI）、颈干角、前倾角、股骨头形态。利用Excel2007进行统计分析，与国内外部分学者所做的正常人群股骨近端髓腔解剖参数进行对照研究，分析CroweIV型DDH患者股骨髓腔各解剖参数的特点及相互关系，分析CroweIV型股骨近端特殊的解剖学改变。
　　结果：
　　1、测量了49例（58髋）CroweIV型成人DDH患者，其中男性7例（8髋），女性42例（50髋）；男性病例年龄19～80岁，平均47.26岁；女性病例年龄18～73岁，平均37.01岁。女性的发病率明显高于男性，发病年龄明显较原发性髋关节骨性关节炎轻。
　　2、测量了每侧髋股骨近端髓腔内的径长参数，其形态较正常人群股骨髓腔明显窄而直，内径明显变小，有显著性差异（P<0.01）；股骨头平均脱位距离为6.09±1.04cm；8侧髋（13.8％）患者股骨头、颈完全消失无形；11侧髋（19.0%）患者股骨头明显萎缩、变形，股骨颈消失；其余髋均有股骨头不同程度变形。颈干角总体增大，为132.3°±9.06°（90.5-158.1°）。
　　3、利用三维CT测量了17例（17髋）CroweIV型成人DDH的前倾角，其中有一髋股骨颈完全消失无形，无法测量前倾角。有3侧髋（17.6%）后倾，13侧髋（76.5%）前倾，股骨颈平均前倾角明显增大：37.0±18.2°，较正常人群明显变大，有显著性差异（P<0.01）。
　　5、根据Noble分类，本组测量的58髋CroweIV型DDH的CFI均值为3.50±0.42，与正常人群的CFI值相比均明显小，有显著性差异（P<0.01）。其中烟囱型髓腔 CFI＜3.0占51.7%、正常型髓腔3.0＜CFI＜4.7占48.8%、漏斗型髓腔CFI＞4.7占3.5%。烟囱型髓腔比例明显高于其他学者所测正常型髓腔。
　　结论：
　　1、CroweIV型成人 DDH的股骨近端解剖形态、大小变异大，存在相当大的解剖畸形，与正常人群的股骨近端形态存在明显差异，因此有必要设计符合DDH患者股骨近端髓腔特征的个性化股骨假体。
　　2、CroweIV型成人 DDH股骨近端髓腔细而直，烟囱型比例高，与老年骨质疏松、骨质丢失导致髓腔宽大的烟囱型髓腔不同。
　　3、作者改良的股骨干骺端髓腔开大指数定义（MCFI2）对以干骺端固定为主的个性化股骨假体设计有指导意义。
　　第二部分个性化股骨假体的计算机辅助设计及(EBM RP)金属3D打印
　　目的：针对DDH等疾病所致的股骨近端髓腔畸形，以及传统标准股骨柄假体在THA术中所遇到的困难，通过计算机辅助设计技术完成一种个性化人工股骨柄假体的设计，并应用（EBM RP）电子束熔融金属3D打印技术制造出样品，用于后续的一系列实验研究。
　　方法：采用64层螺旋CT对尸体股骨全长进行层厚0.625mm薄层扫描，获得断层图像数据；并利用CDViewer工具打开并且保存为JPG格式，利用ACDSee工具将所有JPG格式文件批处理转换成BMP格式；导入Mimics15.0编辑预处理，完成股骨三维重建，生成标准的STL格式文件；以股骨髓腔三维内轮廓为基础，应用UG8.0软件进行个性化假体三维模型设计；将个性化人工股骨假体stl.格式文件导入EBM RP金属3D打印机计算机主程序，调节微孔径及孔隙率参数，打印出个性化袖套；将袖套圆锥形内腔表面抛光，与SR标准柄体部件组配，完成个性化股骨柄假体的设计及制造。
　　结果：
　　①对尸体股骨的CT扫描获得了清晰、连续的断层图像数据，并实现了图像类型的转换；
　　②图像文件导入Mimics15.0，初始化设置及空间位置设置，编辑预处理，去除噪音、调节股骨的阀值、区域增长、程序自动提取与手工提取相结合确定了股骨的轮廓线，三维重建获得了标准STL格式的股骨近端三维模型文件。
　　③在UG8.0中导入Mimics15.0生成的stl格式股骨三维图形文件，提取股骨髓腔内表面三维模型，标示出3.5-5cm的干骺端内轮廓作为个性化袖套的外表面；并配置一个合适大小标准制造的SR假体柄部件在髓腔中央，形成个性化袖套的内部圆锥形空腔；将个性化袖套+标准化假体柄模拟合成，植入股骨近端髓腔获得了模拟 THA效果。
　　④对个性化袖套外表面进行适当平顺、优化处理得到个性化的干骺端袖套三维模型。
　　⑤采用电子束熔融（EBM RP）金属3D打印出个性化钛合金干骺端袖套，与标准SR柄体组配，制成个性化股骨柄假体成品。
　　结论：
　　①以螺旋CT对股骨薄层扫描所获得的图像为基础，经过图像变换及相关软件处理采用三维反求的方法可获得满意的股骨内外轮廓的三维实体模型；
　　②通过专业的CAD技术可以在三维模型的基础上设计出干骺端良好匹配的个性化股骨柄假体；
　　③采用最新的（EBM RP）电子束熔融金属3D打印机可打印出具有复杂三维形态、表面微孔、低弹性模量的钛合金个性化股骨柄假体，该技术方便、快速、准确；打印的假体具有个性化、完美匹配干骺端髓腔形态的优点，具有广阔的的应用前景。
　　第三部分 EBM金属3D打印个性化股骨假体与其他四种类型假体的有限元分析对比
　　目的：将EBM金属3D打印个性化股骨假体与SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄通过三维有限元分析方法（FEA）比较研究，研究个性化股骨柄假体的生物力学特点，以及需改进设计的地方，为后续研究打下基础。
　　方法：选用前文已建模的个性化股骨假体的stl.格式文件和 SR组配柄假体的三维stl格式文件（14D袖套，2＃柄，由爱康宜诚公司提供），根据前文已建模的股骨髓腔大小选择合适型号的三种常见形态类型股骨柄：柱形柄、矩形柄、锥形柄，应用大恒三维激光扫描仪进行激光扫描，导出stl.三维坐标数据，导入UG8.0进行建模、修补坏点，得到符合要求的stl.格式文件。导入Ansys10.0软件，对5种股骨柄数字模型进行有限元网格划分，模拟切除股骨头、颈，按照标准手术要求分别植入5种数字化股骨柄。对股骨及假体材料分别赋值以后，模拟双足静止站立、及缓慢行走两种状态，采用Ansys10.0软件对五种假体进行模拟力学实验，对比五种股骨假体在应力分布、界面应力、初始微动、应力遮挡等四个方面生物力学特征。
　　结果：
　　1、在双足静止站立下，个性化股骨假体平均应力仅略高于柱形柄，正应力仅略高于锥形柄，剪切应力均低于其他柄；在缓慢行走载荷下，个性化股骨假体平均应力仅略高于柱形柄；正应力较SR组配柄低，较三种普通柄高，最大应力点位于假体颈部拐弯处；剪切应力较SR组配柄、矩形柄低（25.78%、62.50%），较柱形柄、锥形柄高（35.74％、15.82％）。
　　2、在双足静止站立下，个性化股骨假体水平微动较其他股骨柄大，最大值26.4um，在骨长入的微动范围内；垂直微动较其余四种柄均低。在缓慢行走载荷下，个性化假体的水平微动较其它柄大，最大值0.398mm；垂直微动较柱形柄略低（1.45%），较SR组配柄、矩形柄、锥形柄略高（16.10%、23.67%、1.54%）。
　　3、在双足静止站立及缓慢行走时，个性化袖套较 SR标准化袖套平均应力、正应力、剪切应力均低；水平微动均略大，最大值为26.4um、172um，在骨长入的微动临界范围内。双足静止站立时，个性化袖套较SR标准化袖套垂直微动小约（50%），最大垂直微动为0.407mm；在缓慢行走时，垂直微动略高约（11.68%），最大垂直微动为1.701mm。
　　4、在双足静止站立状态下，3D打印个性化股骨柄近端有着最小的应力遮挡率，分别比SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄低约56.21％、41.88％、23.92％和17.98％。在缓慢行走载荷下，个性化假体比SR组配柄、矩形柄、柱形柄、锥形柄低约56.84％、31.10％、20.45％、16.69％。
　　结论：
　　1、EBM金属3D打印个性化股骨假体较SR组配柄应力分布更均匀，界面应力及应力遮挡更小，具有更好的生物力学特性；
　　2、在正常型股骨髓腔，个性化股骨假体较普通柄应力遮挡更小，初始水平微动高于普通柄，但微动在骨长入范围内；
　　3、金属3D打印个性化股骨假体因其个性化及可调前倾角设计，更适用于股骨近端髓腔变异或畸形，以及需纠正异常前倾角的患者。金属3D打印一体化的个性化股骨柄假体是发展趋势和方向。

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引言

第一部分CroweIV型成人DDH股骨近端髓腔形态测量

前言

材料和方法

测量结果

讨论

参考文献

第二部分：个性化股骨假体的计算机辅助设计及(EBM RP)金属3D打印

前言

材料与方法

结果

讨论

参考文献

第三部分：个性化股骨假体与其他四种类型假体的有限元分析对比

引言

方法

实验结果

讨论

参考文献

综述一: 金属3D打印技术在个性化人工髋关节假体植入物中的应用进展

综述二: DDH股骨髓腔形态研究及股骨柄假体设计

致谢