發(fā)布時(shí)間：2017-12-23 10:18

  本文關(guān)鍵詞：CroweⅣ型成人DDH股骨近端形態(tài)測(cè)量及（EBM RP）金屬3D打印個(gè)性化人工股骨柄假體研究　出處：《蘇州大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：第一部分Crowe IV型成人DDH股骨近端形態(tài)測(cè)量目的::研究Crowe IV型成人發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(DDH)的股骨近端髓腔形態(tài)、股骨頭形態(tài)及高位脫位特點(diǎn),證實(shí)Crowe IV型DDH高脫位的特殊解剖學(xué)改變,為Crowe IV型成人DDH的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中股骨側(cè)處理方法、以及為設(shè)計(jì)適用于Crowe IV型成人DDH的3D打印個(gè)性化人工股骨柄假體提供參考依據(jù)。方法:隨機(jī)選擇蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科于2004年6月到2014年12月之間就診的49例(58髖)Crowe IV型成人DDH的股骨近端正側(cè)位X線攝片資料,以及17例(17髖)三維CT影像資料(均為DICOM格式)。利用Osirix 5.85軟件測(cè)量每例股骨近端髓腔的徑長(zhǎng)參數(shù),包括:小粗隆中點(diǎn)以上2cm處至小粗隆中點(diǎn)以下10cm處每隔1cm的髓腔內(nèi)徑、峽部?jī)?nèi)徑、峽部?jī)?nèi)外側(cè)皮質(zhì)厚度、峽部高度、股骨頭脫位距離。形態(tài)參數(shù):包括股骨近端髓腔開大指數(shù)(CFI)、股骨干骺端髓腔開大指數(shù)及改良指數(shù)(MCFI、MCFI 2)、股骨遠(yuǎn)端髓腔開大指數(shù)(DCFI)、頸干角、前傾角、股骨頭形態(tài)。利用Excel2007進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,與國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者所做的正常人群股骨近端髓腔解剖參數(shù)進(jìn)行對(duì)照研究,分析Crowe IV型DDH患者股骨髓腔各解剖參數(shù)的特點(diǎn)及相互關(guān)系,分析Crowe IV型股骨近端特殊的解剖學(xué)改變。結(jié)果::1、測(cè)量了49例(58髖)Crowe IV型成人DDH患者,其中男性7例例((8髖),女性42例例((50髖);男性病例年齡19~80歲歲,,平均47.26歲;女性病例年齡18~73歲歲,,平均37.01歲。女性的發(fā)病率明顯高于男性,發(fā)病年齡明顯較原發(fā)性髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎輕。2、測(cè)量了每側(cè)髖股骨近端髓腔內(nèi)的徑長(zhǎng)參數(shù),其形態(tài)較正常人群股骨髓腔明顯窄而直,內(nèi)徑明顯變小,有顯著性差異(P0.01);股骨頭平均脫位距離為6.09±1.04cm;8側(cè)髖(13.8%)患者股骨頭、頸完全消失無(wú)形;11側(cè)髖(19.0%)患者股骨頭明顯萎縮、變形,股骨頸消失;其余髖均有股骨頭不同程度變形。頸干角總體增大,為132.3°±9.06°(90.5-158.1°)。3、利用三維CT測(cè)量了17例(17髖)Crowe IV型成人DDH的前傾角,其中有一髖股骨頸完全消失無(wú)形,無(wú)法測(cè)量前傾角。有3側(cè)髖(17.6%)后傾,13側(cè)髖(76.5%)前傾,股骨頸平均前傾角明顯增大:37.0±18.2°,較正常人群明顯變大,有顯著性差異(P0.01)。5、根據(jù)Noble分類,本組測(cè)量的58髖Crowe IV型DDH的CFI均值為3.50±0.42,與正常人群的CFI值相比均明顯小,有顯著性差異(P0.01)。其中煙囪型髓腔CFI3.0占51.7%、正常型髓腔3.0CFI4.7占48.8%、漏斗型髓腔CFI4.7占3.5%。煙囪型髓腔比例明顯高于其他學(xué)者所測(cè)正常型髓腔。結(jié)論::1、Crowe IV型成人DDH的股骨近端解剖形態(tài)、大小變異大,存在相當(dāng)大的解剖畸形,與正常人群的股骨近端形態(tài)存在明顯差異,因此有必要設(shè)計(jì)符合DDH患者股骨近端髓腔特征的個(gè)性化股骨假體。2、Crowe IV型成人DDH股骨近端髓腔細(xì)而直,煙囪型比例高,與老年骨質(zhì)疏松、骨質(zhì)丟失導(dǎo)致髓腔寬大的煙囪型髓腔不同。3、作者改良的股骨干骺端髓腔開大指數(shù)定義(MCFI 2)對(duì)以干骺端固定為主的個(gè)性化股骨假體設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。第二部分個(gè)性化股骨假體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及(EBM RP)金屬3D打印目的::針對(duì)DDH等疾病所致的股骨近端髓腔畸形,以及傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)股骨柄假體在THA術(shù)中所遇到的困難,通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)完成一種個(gè)性化人工股骨柄假體的設(shè)計(jì),并應(yīng)用(EBM RP)電子束熔融金屬3D打印技術(shù)制造出樣品,用于后續(xù)的一系列實(shí)驗(yàn)研究。方法::采用64層螺旋CT對(duì)尸體股骨全長(zhǎng)進(jìn)行層厚0.625mm薄層掃描,獲得斷層圖像數(shù)據(jù);并利用CDViewer工具打開并且保存為JPG格式,利用ACDSee工具將所有JPG格式文件批處理轉(zhuǎn)換成BMP格式;導(dǎo)入Mimics15.0編輯預(yù)處理,完成股骨三維重建,生成標(biāo)準(zhǔn)的STL格式文件;以股骨髓腔三維內(nèi)輪廓為基礎(chǔ),應(yīng)用UG 8.0軟件進(jìn)行個(gè)性化假體三維模型設(shè)計(jì);將個(gè)性化人工股骨假體stl.格式文件導(dǎo)入EBM RP金屬3D打印機(jī)計(jì)算機(jī)主程序,調(diào)節(jié)微孔徑及孔隙率參數(shù),打印出個(gè)性化袖套;將袖套圓錐形內(nèi)腔表面拋光,與SR標(biāo)準(zhǔn)柄體部件組配,完成個(gè)性化股骨柄假體的設(shè)計(jì)及制造。結(jié)果::①對(duì)尸體股骨的CT掃描獲得了清晰、連續(xù)的斷層圖像數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)了圖像類型的轉(zhuǎn)換;②圖像文件導(dǎo)入Mimics15.0,初始化設(shè)置及空間位置設(shè)置,編輯預(yù)處理,去除噪音、調(diào)節(jié)股骨的閥值、區(qū)域增長(zhǎng)、程序自動(dòng)提取與手工提取相結(jié)合確定了股骨的輪廓線,三維重建獲得了標(biāo)準(zhǔn)STL格式的股骨近端三維模型文件。③在UG 8.0中導(dǎo)入Mimics15.0生成的stl格式股骨三維圖形文件,提取股骨髓腔內(nèi)表面三維模型,標(biāo)示出3.5-5cm的干骺端內(nèi)輪廓作為個(gè)性化袖套的外表面;并配置一個(gè)合適大小標(biāo)準(zhǔn)制造的SR假體柄部件在髓腔中央,形成個(gè)性化袖套的內(nèi)部圓錐形空腔;將個(gè)性化袖套+標(biāo)準(zhǔn)化假體柄模擬合成,植入股骨近端髓腔獲得了模擬THA效果。④對(duì)個(gè)性化袖套外表面進(jìn)行適當(dāng)平順、優(yōu)化處理得到個(gè)性化的干骺端袖套三維模型。⑤采用電子束熔融(EBM RP)金屬3D打印出個(gè)性化鈦合金干骺端袖套,與標(biāo)準(zhǔn)SR柄體組配,制成個(gè)性化股骨柄假體成品。結(jié)論::①以螺旋CT對(duì)股骨薄層掃描所獲得的圖像為基礎(chǔ),經(jīng)過圖像變換及相關(guān)軟件處理采用三維反求的方法可獲得滿意的股骨內(nèi)外輪廓的三維實(shí)體模型;②通過專業(yè)的CAD技術(shù)可以在三維模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出干骺端良好匹配的個(gè)性化股骨柄假體;③采用最新的(EBM RP)電子束熔融金屬3D打印機(jī)可打印出具有復(fù)雜三維形態(tài)、表面微孔、低彈性模量的鈦合金個(gè)性化股骨柄假體,該技術(shù)方便、快速、準(zhǔn)確;打印的假體具有個(gè)性化、完美匹配干骺端髓腔形態(tài)的優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的的應(yīng)用前景。第三部分EBM金屬3D打印個(gè)性化股骨假體與其他四種類型假體的有限元分析對(duì)比目的::將EBM金屬3D打印個(gè)性化股骨假體與SR組配柄、矩形柄、柱形柄、錐形柄通過三維有限元分析方法(FEA)比較研究,研究個(gè)性化股骨柄假體的生物力學(xué)特點(diǎn),以及需改進(jìn)設(shè)計(jì)的地方,為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。方法::選用前文已建模的個(gè)性化股骨假體的stl.格式文件和SR組配柄假體的三維stl格式文件(14D袖套,2#柄,由愛康宜誠(chéng)公司提供),根據(jù)前文已建模的股骨髓腔大小選擇合適型號(hào)的三種常見形態(tài)類型股骨柄:柱形柄、矩形柄、錐形柄,應(yīng)用大恒三維激光掃描儀進(jìn)行激光掃描,導(dǎo)出stl.三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),導(dǎo)入U(xiǎn)G 8.0進(jìn)行建模、修補(bǔ)壞點(diǎn),得到符合要求的stl.格式文件。導(dǎo)入Ansys10.0軟件,對(duì)5種股骨柄數(shù)字模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,模擬切除股骨頭、頸,按照標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)要求分別植入5種數(shù)字化股骨柄。對(duì)股骨及假體材料分別賦值以后,模擬雙足靜止站立、及緩慢行走兩種狀態(tài),采用Ansys10.0軟件對(duì)五種假體進(jìn)行模擬力學(xué)實(shí)驗(yàn),對(duì)比五種股骨假體在應(yīng)力分布、界面應(yīng)力、初始微動(dòng)、應(yīng)力遮擋等四個(gè)方面生物力學(xué)特征。結(jié)果::1、在雙足靜止站立下,個(gè)性化股骨假體平均應(yīng)力僅略高于柱形柄,正應(yīng)力僅略高于錐形柄,剪切應(yīng)力均低于其他柄;在緩慢行走載荷下,個(gè)性化股骨假體平均應(yīng)力僅略高于柱形柄;正應(yīng)力較SR組配柄低,較三種普通柄高,最大應(yīng)力點(diǎn)位于假體頸部拐彎處;剪切應(yīng)力較SR組配柄、矩形柄低(25.78%、62.50%),較柱形柄、錐形柄高(35.74%、15.82%)。2、在雙足靜止站立下,個(gè)性化股骨假體水平微動(dòng)較其他股骨柄大,最大值26.4um,在骨長(zhǎng)入的微動(dòng)范圍內(nèi);垂直微動(dòng)較其余四種柄均低。在緩慢行走載荷下,個(gè)性化假體的水平微動(dòng)較其它柄大,最大值0.398mm;垂直微動(dòng)較柱形柄略低(1.45%),較SR組配柄、矩形柄、錐形柄略高(16.10%、23.67%、1.54%)。3、在雙足靜止站立及緩慢行走時(shí),個(gè)性化袖套較SR標(biāo)準(zhǔn)化袖套平均應(yīng)力、正應(yīng)力、剪切應(yīng)力均低;水平微動(dòng)均略大,最大值為26.4um、172um,在骨長(zhǎng)入的微動(dòng)臨界范圍內(nèi)。雙足靜止站立時(shí),個(gè)性化袖套較SR標(biāo)準(zhǔn)化袖套垂直微動(dòng)小約(50%),最大垂直微動(dòng)為0.407mm;在緩慢行走時(shí),垂直微動(dòng)略高約(11.68%),最大垂直微動(dòng)為1.701mm。4、在雙足靜止站立狀態(tài)下,3D打印個(gè)性化股骨柄近端有著最小的應(yīng)力遮擋率,分別比SR組配柄、矩形柄、柱形柄、錐形柄低約56.21%、41.88%、23.92%和17.98%。在緩慢行走載荷下,個(gè)性化假體比SR組配柄、矩形柄、柱形柄、錐形柄低約56.84%、31.10%、20.45%、16.69%。結(jié)論::1、EBM金屬3D打印個(gè)性化股骨假體較SR組配柄應(yīng)力分布更均勻,界面應(yīng)力及應(yīng)力遮擋更小,具有更好的生物力學(xué)特性;2、在正常型股骨髓腔,個(gè)性化股骨假體較普通柄應(yīng)力遮擋更小,初始水平微動(dòng)高于普通柄,但微動(dòng)在骨長(zhǎng)入范圍內(nèi);3、金屬3D打印個(gè)性化股骨假體因其個(gè)性化及可調(diào)前傾角設(shè)計(jì),更適用于股骨近端髓腔變異或畸形,以及需糾正異常前傾角的患者。金屬3D打印一體化的個(gè)性化股骨柄假體是發(fā)展趨勢(shì)和方向。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R318.17;TP391.73

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1323496