CroweIV型成人DDH股骨近端形態(tài)測量及(EBMRP)金屬3D打印個性化人工股骨柄假體研究.pdf

1、第一部分 CroweIV型成人DDH股骨近端形態(tài)測量
　　目的：研究CroweIV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，證實CroweIV型DDH高脫位的特殊解剖學(xué)改變，為CroweIV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)計適用于CroweIV型成人DDH的3D打印個性化人工股骨柄假體提供參考依據(jù)。
　　方法：隨機選擇蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科于2004年6月到2

2、014年12月之間就診的49例（58髖）CroweIV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Osirix5.85軟件測量每例股骨近端髓腔的徑長參數(shù)，包括：小粗隆中點以上2cm處至小粗隆中點以下10cm處每隔1cm的髓腔內(nèi)徑、峽部內(nèi)徑、峽部內(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、M

3、CFI2）、股骨遠端髓腔開大指數(shù)（DCFI）、頸干角、前傾角、股骨頭形態(tài)。利用Excel2007進行統(tǒng)計分析，與國內(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)進行對照研究，分析CroweIV型DDH患者股骨髓腔各解剖參數(shù)的特點及相互關(guān)系，分析CroweIV型股骨近端特殊的解剖學(xué)改變。
　　結(jié)果：
　　1、測量了49例（58髖）CroweIV型成人DDH患者，其中男性7例（8髖），女性42例（50髖）；男性病例年齡19～80

4、歲，平均47.26歲；女性病例年齡18～73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、測量了每側(cè)髖股骨近端髓腔內(nèi)的徑長參數(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（P<0.01）；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

5、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測量了17例（17髖）CroweIV型成人DDH的前傾角，其中有一髖股骨頸完全消失無形，無法測量前傾角。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（P<0.01）。
　　5、根據(jù)Noble分類，本組測量的58髖CroweIV型DDH的

6、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（P<0.01）。其中煙囪型髓腔 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%。煙囪型髓腔比例明顯高于其他學(xué)者所測正常型髓腔。
　　結(jié)論：
　　1、CroweIV型成人 DDH的股骨近端解剖形態(tài)、大小變異大，存在相當大的解剖畸形，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)計符合

7、DDH患者股骨近端髓腔特征的個性化股骨假體。
　　2、CroweIV型成人 DDH股骨近端髓腔細而直，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（MCFI2）對以干骺端固定為主的個性化股骨假體設(shè)計有指導(dǎo)意義。
　　第二部分個性化股骨假體的計算機輔助設(shè)計及(EBM RP)金屬3D打印
　　目的：針對DDH等疾病所致的股骨近端髓腔畸形，以及傳統(tǒng)標

8、準股骨柄假體在THA術(shù)中所遇到的困難，通過計算機輔助設(shè)計技術(shù)完成一種個性化人工股骨柄假體的設(shè)計，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)的一系列實驗研究。
　　方法：采用64層螺旋CT對尸體股骨全長進行層厚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

9、骨三維重建，生成標準的STL格式文件；以股骨髓腔三維內(nèi)輪廓為基礎(chǔ)，應(yīng)用UG8.0軟件進行個性化假體三維模型設(shè)計；將個性化人工股骨假體stl.格式文件導(dǎo)入EBM RP金屬3D打印機計算機主程序，調(diào)節(jié)微孔徑及孔隙率參數(shù)，打印出個性化袖套；將袖套圓錐形內(nèi)腔表面拋光，與SR標準柄體部件組配，完成個性化股骨柄假體的設(shè)計及制造。
　　結(jié)果：
　?、賹κw股骨的CT掃描獲得了清晰、連續(xù)的斷層圖像數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)了圖像類型的轉(zhuǎn)換；
　?、?/p>

10、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、程序自動提取與手工提取相結(jié)合確定了股骨的輪廓線，三維重建獲得了標準STL格式的股骨近端三維模型文件。
　　③在UG8.0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，標示出3.5-5cm的干骺端內(nèi)輪廓作為個性化袖套的外表面；并配置一個合適大小標準制造的SR假體柄部件在髓腔中央，形成個

11、性化袖套的內(nèi)部圓錐形空腔；將個性化袖套+標準化假體柄模擬合成，植入股骨近端髓腔獲得了模擬 THA效果。
　?、軐€性化袖套外表面進行適當平順、優(yōu)化處理得到個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打印出個性化鈦合金干骺端袖套，與標準SR柄體組配，制成個性化股骨柄假體成品。
　　結(jié)論：
　　①以螺旋CT對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

12、得滿意的股骨內(nèi)外輪廓的三維實體模型；
　?、谕ㄟ^專業(yè)的CAD技術(shù)可以在三維模型的基礎(chǔ)上設(shè)計出干骺端良好匹配的個性化股骨柄假體；
　　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性化股骨柄假體，該技術(shù)方便、快速、準確；打印的假體具有個性化、完美匹配干骺端髓腔形態(tài)的優(yōu)點，具有廣闊的的應(yīng)用前景。
　　第三部分 EBM金屬3D打印個性化股骨假體與其他四種類型假體的

13、有限元分析對比
　　目的：將EBM金屬3D打印個性化股骨假體與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，研究個性化股骨柄假體的生物力學(xué)特點，以及需改進設(shè)計的地方，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的三種常見形態(tài)類型股骨柄：柱形

14、柄、矩形柄、錐形柄，應(yīng)用大恒三維激光掃描儀進行激光掃描，導(dǎo)出stl.三維坐標數(shù)據(jù)，導(dǎo)入UG8.0進行建模、修補壞點，得到符合要求的stl.格式文件。導(dǎo)入Ansys10.0軟件，對5種股骨柄數(shù)字模型進行有限元網(wǎng)格劃分，模擬切除股骨頭、頸，按照標準手術(shù)要求分別植入5種數(shù)字化股骨柄。對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軟件對五種假體進行模擬力學(xué)實驗，對比五種股骨假體在應(yīng)力分布、界面應(yīng)力、初

15、始微動、應(yīng)力遮擋等四個方面生物力學(xué)特征。
　　結(jié)果：
　　1、在雙足靜止站立下，個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

16、下，個性化股骨假體水平微動較其他股骨柄大，最大值26.4um，在骨長入的微動范圍內(nèi)；垂直微動較其余四種柄均低。在緩慢行走載荷下，個性化假體的水平微動較其它柄大，最大值0.398mm；垂直微動較柱形柄略低（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，個性化袖套較 SR標準化袖套平均應(yīng)力、正應(yīng)力、剪切應(yīng)力均低；水平微動均略大，最大值為26.4um、17

17、2um，在骨長入的微動臨界范圍內(nèi)。雙足靜止站立時，個性化袖套較SR標準化袖套垂直微動小約（50%），最大垂直微動為0.407mm；在緩慢行走時，垂直微動略高約（11.68%），最大垂直微動為1.701mm。
　　4、在雙足靜止站立狀態(tài)下，3D打印個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，個性化假體比SR組配柄、矩形柄、

18、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，個性化股骨假體較普通柄應(yīng)力遮擋更小，初始水平微動高于普通柄，但微動在骨長入范圍內(nèi)；
　　3、金屬3D打印個性化股骨假體因其個性化及可調(diào)前傾角設(shè)計，更適用于股骨近端髓腔變異或畸形，以及需