个体化人工半膝关节假体计算机辅助设计和快速成型的基础:股骨髁三维建模(英文)

摘要

背景:目前保肢方法有异体骨关节置换、人工金属假体置换、肿瘤骨段灭活再植等,各有优缺点。四肢骨肿瘤切除深低温冷冻大段异体骨关节置换术存在异体-自体关节不匹配和后期关节软骨坏死影响关节功能的问题。目的:评估一种由螺旋CT扫描数据获取关节软骨表面轮廓信息的方法,为基于快速成型技术的个体化人工半膝关节研究奠定基础。设计:开放性实验。单位:解放军兰州军区乌鲁木齐总医院创伤一科。材料:实验于2001-09/2003-05在解放军第四军医大学西京医院骨科研究所和西安交通大学先进制造研究所完成。样本来源:CT扫描对象为25岁健康男性志愿者。方法:采用Picker6000螺旋CT对股骨远端进行层厚1mm扫描,在Picker6000CT机的VoxelQ图像工作站进行三维容积重建,之后对重建数据间隔0.1mm下载二维断层图像。自行开发数据格式转换软件,对下载图像进行滤波、去噪等处理,求出断面图像的二维边缘轮廓矢量化数据,输入美国Imageware公司Surfacer9.0软件进行矢量化三维重建。然后通过对关节软骨轮廓的识别及假体设计需要,提取出感兴趣的关节软骨表面轮廓的三维图像,用于个体化人工半膝关节的计算机辅助设计。主要观察指标:CT图像的矢量转换和股骨髁三维重建矢量图像。结果:利用自主开发的医学图像矢量转换软件,实现了CT图像数据的矢量转换,在Surfacer9.0三维处理软件中构建出个体化股骨髁三维实体模型,并根据设计需要进行编辑,提取出可进行人工半膝关节假体计算机辅助设计需要的关节软骨三维模型。所构关节面轮廓可进一步处理,从而完成人工半膝关节假体的计算机辅助设计;其文件格式为.stl格式,可直接被快速成形软件识别和用于工程学制造。结论:由螺旋CT数据进行关节软骨外形轮廓的矢量化重建可获得精确的关节软骨轮廓三维实体模型,模型可编辑性强,为复合大段异体骨移植的人工半膝关节假体的计算机辅助设计和快速成型制造打下了基础;用此方法进行医学图像信息的矢量转换简单易行,在骨科、口腔颌面外科生物制造领域有良好的应用前景。