通用可调式膝关节畸形数字化三维矫形系统的研究

发布时间：2020-04-12 09:37

【摘要】：目的:1.对膝关节畸形的三维模型进行数字化分析和手术方案规划,设计通用可调节的数字化三维矫形系统辅助膝关节畸形实施精准矫形。并对矫形系统进行有限元分析验证力学性能,在体外模拟试验中验证其矫形效果。2.测量三维矫形系统在三维空间上(额状面和矢状面上)撑开不同度数时所对应的撑开距离,形成一个数据表,作为膝关节畸形矫形术术前设计的参考依据。3.对该矫形系统在临床中的应用进行分析,对比采用数字化方法进行手术三维设计、并借助矫形系统辅助矫形,以及采用传统手术方式行截骨矫形术,比较两种手术方式的临床疗效。方法:1.通用可调式膝关节畸形三维精准矫形系统的设计:通过Mimics和Imageware软件对膝关节畸形的模型进行重建、测量和截骨设计,对畸形方式和程度进行定量诊断,并确定截骨平面和矫正角度。在UG软件中设计出辅助矫形手术的矫形系统各个部件,分别用于辅助三维空间畸形的矫正。2.膝关节畸形三维精准矫形系统的有限元分析:将股骨模型导入Geomagic中进行有限元分析前处理,处理后的模型与矫形系统部件一起导入SolidWorks软件中赋予不同的关系后进行模型装配,装配完成后以x.t格式保存并导入有限元分析软件进行网格划分、材料赋值和负荷加载等,操作完成后提交作业进行运算。对矫形系统进行体外模拟试验研究,验证矫形系统辅助膝关节畸形的矫形效果。3.膝关节畸形不同矫正度数对应撑开距离的测量过程:在Imagewarer软件中将下肢模型以原点为中心对齐,将矫形部件导入后,在截骨面的近端和远端做出圆球,运用位移、旋转、智能选取球心等操作,测量球心之间的距离,即为额状面和矢状面分别撑开的距离。4.对采用数字化方法进行手术三维设计、借助矫形系统辅助矫形的手术组,和采用传统手术方式矫形的手术组进行对比,比较术中出血量多少、手术时间长短、术中透视次数和术前、术后胫股角,并对其结果进行统计学分析。结果:1.设计出了第一代通用可调式膝关节畸形数字化三维矫形系统,并将第一代矫形系统应用于临床。从临床操作的便捷性角度出发,设计出第二代矫形系统,该优化设计能够更好地方便临床操作。2.借助imageware软件对膝关节畸形模型进行测量,获得额状面、矢状面分别矫正不同度数时对应的额状面和矢状面应该撑开的距离,从(额状面5°,矢状面5°)至(额状面30°,矢状面30°),该测量结果制作出的参考数据表可以为骨科医师术前手术规划提供参考依据。3.对该矫形系统进行有限元分析,分析额状面和矢状面分别矫正10°状态的力学结果,发现加载负荷后最大力的集中部位位于矫形旋转轴上,但并未超过矫形轴的承受能力,证实该矫形系统在辅助矫形过程中性能良好。对矫形系统进行体外模拟试验,证实矫形效果确切。4.借助该三维矫形系统辅助膝关节畸形三维矫形手术组,临床效果明显优于传统手术组,术前、术后影像学评估和术中、术后观察证实:三维矫形手术组术中出血量、手术时间、术中透视次数明显低于传统手术组,术后HSS评分高于传统手术组,术后胫股角明显优于传统手术组。结论:1.借助数字化技术能够辅助膝关节畸形进行精准矫形手术设计,通用可调式膝关节畸形三维矫形系统的使用缩短了术前设计时间,避免了个性化辅助手术模板CAD设计和3D打印的麻烦,并能够实现截骨矫形的精准、快速,恢复下肢力线与外观。2.膝关节畸形三维矫形撑开距离测量和参考数据表和制作,能够给予骨科医师术前设计的参考标准,为微创、精准矫形外科的研究提供了一种新的探索思路。3.研究通用可调式膝关节矫形系统对膝关节畸形进行三维矫形手术,提高矫形效果,满足当今时代患者因美学标准提升而对下肢骨骼畸形矫正和解剖结构优化所提出的更高要求。
【图文】：

点云图,股骨髁上,点云,截面

图 1-4-1：建立股骨髁上截面点云图 1-4-2：截骨平面截面点云拟合图 1-4-3：截骨平面轮廓曲线前后、左右径测量.5 膝关节畸形数字化三维矫形系统的设计1.5.1 膝关节矫形手术设计流程1.5.1.1 三维建模和评估对膝关节畸形患者行双下肢CT薄层扫描，扫描范围为：骨盆和双下肢连续薄

拟合曲线,截骨,点云,截面

图 1-4-1：建立股骨髁上截面点云图 1-4-2：截骨平面截面点云拟合图 1-4-3：截骨平面轮廓曲线前后、左右径测量.5 膝关节畸形数字化三维矫形系统的设计1.5.1 膝关节矫形手术设计流程1.5.1.1 三维建模和评估对膝关节畸形患者行双下肢CT薄层扫描，，扫描范围为：骨盆和双下肢连续薄
【学位授予单位】：广州中医药大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R687.4

【参考文献】