讓患者定制化植入體設(shè)計(jì)更簡單

來源：Materialise

來自Stellenbosch大學(xué)的研究員研究了全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)采用定制化植入體的方式是否優(yōu)于傳統(tǒng)方式。
案例由來自南非Stellenbosch 大學(xué)的D. van den Heever ，J.H. Muller 和 C. Scheffer展示。
每年全球有超過一百萬的關(guān)節(jié)炎患者接受膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。雖然膝關(guān)節(jié)是最復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，但傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)植入體僅有制造商定義的標(biāo)準(zhǔn)形狀與大小。

在這個案例中，來自Stellenbosch大學(xué)的研究員致力于研究定制化植入體設(shè)計(jì)的可行性。他們首先分析了膝關(guān)節(jié)接觸壓力點(diǎn)的位置；然后，分析定制化方法是否在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)上優(yōu)于傳統(tǒng)方式；最后，他們對設(shè)計(jì)這種定制化植入體進(jìn)行了概念驗(yàn)證。Materialise Mimics Innovation Suite® 軟件中的大量工具被證明是在這個研究各方面的關(guān)鍵技術(shù)。

第一步：膝關(guān)節(jié)接觸壓力點(diǎn)分析

關(guān)節(jié)面之間的接觸區(qū)域變小經(jīng)常會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)負(fù)擔(dān)過大，從而導(dǎo)致接觸壓力升高。為了模擬這種壓力，研究人員通常采用基于患者的MR或CT等影像數(shù)據(jù)中獲取的3D模型進(jìn)行特定的有限元分析。然而，這些模擬只有用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證才可信賴，這也帶來了很多大的挑戰(zhàn)。例如，關(guān)節(jié)軟骨能夠在負(fù)載作用下貼合接觸面的幾何形狀，這種現(xiàn)象很難通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行量化。

通過Materialise Mimics Innovation Suite的幫助，Stellenbosch大學(xué)的研究員分析了膝關(guān)節(jié)在不同負(fù)載條件下的MRI數(shù)據(jù)，通過FEA來驗(yàn)證模擬接觸面的幾何形狀。

為了能夠觀察到髕骨和股骨軟骨，研究員做了兩次膝關(guān)節(jié)的MRI掃描：一次完全伸展?fàn)顟B(tài)，股四頭肌松弛；另一次30度角彎曲狀態(tài)，使用MRI兼容的負(fù)載框架進(jìn)行負(fù)載作用。

應(yīng)用Mimics中先進(jìn)的MRI分割工具，研究員們將2D圖像序列重建為骨骼和軟骨的精確3D模型。接下來，他們用Mimics 的registration（配準(zhǔn)）工具將第一次伸展?fàn)顟B(tài)下得到的沒有受壓的軟骨虛擬地放置在第二次掃描的彎曲的膝關(guān)節(jié)上。這個操作可以讓髕骨和股骨軟骨的重疊，通過布爾交叉運(yùn)算進(jìn)行提取。結(jié)果顯示，測量數(shù)據(jù)和FEA預(yù)測數(shù)據(jù)之間有緊密相關(guān)性，這個結(jié)論給了研究人員必要的信心，來使用這個技術(shù)進(jìn)行定制化膝關(guān)節(jié)植入體開發(fā)。


步驟二：定制化植入體是否有利？

在下一階段，團(tuán)隊(duì)想確定與脛骨掛鉤的股骨髁接觸區(qū)域是否有固定的半徑，以及在不同患者身上半徑是否都一致。

團(tuán)隊(duì)用激光掃描儀掃描了幾個尸體樣本股骨遠(yuǎn)端的股骨髁，并用3-matic軟件將后續(xù)點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成精確的3D模型。為了研究和比較髁曲率，團(tuán)隊(duì)在每個髁上繪制相交平面，其近似于外科上髁視圖。導(dǎo)出所得的相交曲線，在每個點(diǎn)處進(jìn)行曲率的統(tǒng)計(jì)分析。該分析表明，髁突表面在個體之間存在顯著差異，并且接觸半徑不是恒定的。因此，研究人員假設(shè)膝關(guān)節(jié)假體的定制方法可以優(yōu)化其功能并改善植入體的壽命。

定制化脛骨近端植入體可以通過減少術(shù)中骨損失，減少手術(shù)時間和復(fù)雜性，避免植入體鋒利邊緣上的不均勻應(yīng)力分布，來進(jìn)一步改善臨床結(jié)果。帶著消除這些障礙的目標(biāo)，Stellenbosch大學(xué)團(tuán)隊(duì)開始設(shè)計(jì)患者定制化膝關(guān)節(jié)植入體。


步驟三：設(shè)計(jì)定制化植入體

為了設(shè)計(jì)定制化植入體，研究小組從膝關(guān)節(jié)的CT掃描開始。通過Mimics，他們生成了股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端的3D模型。將3D模型導(dǎo)入3-matic，使用3-matic靈活的設(shè)計(jì)工具直接根據(jù)患者數(shù)據(jù)創(chuàng)建定制化單髁膝關(guān)節(jié)置換植入體，從而保證完美契合。此外，脛骨托的設(shè)計(jì)時要保證完整的皮質(zhì)邊緣覆蓋。這些設(shè)計(jì)可直接用于3D打印，這是針對患者定制化植入體的首選生產(chǎn)方法。

“解剖學(xué)工程”的標(biāo)準(zhǔn)

Mimics Innovation Suite以準(zhǔn)確有效的方式將3D影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的數(shù)字模型。從光學(xué)掃描，CT或MRI數(shù)據(jù)開始，Mimics Innovation Suite提供先進(jìn)的圖像分割方法、最廣泛的解剖學(xué)測量選項(xiàng)、用于解剖和3D打印工程的強(qiáng)大CAD工具，以及用于FEA和CFD的精確模型準(zhǔn)備。

在本案例研究中，作者使用Mimics Innovation Suite，用以下步驟創(chuàng)建定制化膝關(guān)節(jié)植入體：

- 分割并比較在不同負(fù)載條件下進(jìn)行的MRI掃描的關(guān)節(jié)軟骨
- 分析不同患者膝關(guān)節(jié)表面的解剖差異
- 直接基于解剖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定制化膝關(guān)節(jié)植入體

讓患者定制化植入體設(shè)計(jì)更簡單

來源：Materialise

來自Stellenbosch大學(xué)的研究員研究了全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)采用定制化植入體的方式是否優(yōu)于傳統(tǒng)方式。
案例由來自南非Stellenbosch 大學(xué)的D. van den Heever ，J.H. Muller 和 C. Scheffer展示。
每年全球有超過一百萬的關(guān)節(jié)炎患者接受膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。雖然膝關(guān)節(jié)是最復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，但傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)植入體僅有制造商定義的標(biāo)準(zhǔn)形狀與大小。

在這個案例中，來自Stellenbosch大學(xué)的研究員致力于研究定制化植入體設(shè)計(jì)的可行性。他們首先分析了膝關(guān)節(jié)接觸壓力點(diǎn)的位置；然后，分析定制化方法是否在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)上優(yōu)于傳統(tǒng)方式；最后，他們對設(shè)計(jì)這種定制化植入體進(jìn)行了概念驗(yàn)證。Materialise Mimics Innovation Suite® 軟件中的大量工具被證明是在這個研究各方面的關(guān)鍵技術(shù)。

第一步：膝關(guān)節(jié)接觸壓力點(diǎn)分析

關(guān)節(jié)面之間的接觸區(qū)域變小經(jīng)常會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)負(fù)擔(dān)過大，從而導(dǎo)致接觸壓力升高。為了模擬這種壓力，研究人員通常采用基于患者的MR或CT等影像數(shù)據(jù)中獲取的3D模型進(jìn)行特定的有限元分析。然而，這些模擬只有用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證才可信賴，這也帶來了很多大的挑戰(zhàn)。例如，關(guān)節(jié)軟骨能夠在負(fù)載作用下貼合接觸面的幾何形狀，這種現(xiàn)象很難通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行量化。

通過Materialise Mimics Innovation Suite的幫助，Stellenbosch大學(xué)的研究員分析了膝關(guān)節(jié)在不同負(fù)載條件下的MRI數(shù)據(jù)，通過FEA來驗(yàn)證模擬接觸面的幾何形狀。

為了能夠觀察到髕骨和股骨軟骨，研究員做了兩次膝關(guān)節(jié)的MRI掃描：一次完全伸展?fàn)顟B(tài)，股四頭肌松弛；另一次30度角彎曲狀態(tài)，使用MRI兼容的負(fù)載框架進(jìn)行負(fù)載作用。

應(yīng)用Mimics中先進(jìn)的MRI分割工具，研究員們將2D圖像序列重建為骨骼和軟骨的精確3D模型。接下來，他們用Mimics 的registration（配準(zhǔn)）工具將第一次伸展?fàn)顟B(tài)下得到的沒有受壓的軟骨虛擬地放置在第二次掃描的彎曲的膝關(guān)節(jié)上。這個操作可以讓髕骨和股骨軟骨的重疊，通過布爾交叉運(yùn)算進(jìn)行提取。結(jié)果顯示，測量數(shù)據(jù)和FEA預(yù)測數(shù)據(jù)之間有緊密相關(guān)性，這個結(jié)論給了研究人員必要的信心，來使用這個技術(shù)進(jìn)行定制化膝關(guān)節(jié)植入體開發(fā)。


步驟二：定制化植入體是否有利？

在下一階段，團(tuán)隊(duì)想確定與脛骨掛鉤的股骨髁接觸區(qū)域是否有固定的半徑，以及在不同患者身上半徑是否都一致。

團(tuán)隊(duì)用激光掃描儀掃描了幾個尸體樣本股骨遠(yuǎn)端的股骨髁，并用3-matic軟件將后續(xù)點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成精確的3D模型。為了研究和比較髁曲率，團(tuán)隊(duì)在每個髁上繪制相交平面，其近似于外科上髁視圖。導(dǎo)出所得的相交曲線，在每個點(diǎn)處進(jìn)行曲率的統(tǒng)計(jì)分析。該分析表明，髁突表面在個體之間存在顯著差異，并且接觸半徑不是恒定的。因此，研究人員假設(shè)膝關(guān)節(jié)假體的定制方法可以優(yōu)化其功能并改善植入體的壽命。

定制化脛骨近端植入體可以通過減少術(shù)中骨損失，減少手術(shù)時間和復(fù)雜性，避免植入體鋒利邊緣上的不均勻應(yīng)力分布，來進(jìn)一步改善臨床結(jié)果。帶著消除這些障礙的目標(biāo)，Stellenbosch大學(xué)團(tuán)隊(duì)開始設(shè)計(jì)患者定制化膝關(guān)節(jié)植入體。


步驟三：設(shè)計(jì)定制化植入體

為了設(shè)計(jì)定制化植入體，研究小組從膝關(guān)節(jié)的CT掃描開始。通過Mimics，他們生成了股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端的3D模型。將3D模型導(dǎo)入3-matic，使用3-matic靈活的設(shè)計(jì)工具直接根據(jù)患者數(shù)據(jù)創(chuàng)建定制化單髁膝關(guān)節(jié)置換植入體，從而保證完美契合。此外，脛骨托的設(shè)計(jì)時要保證完整的皮質(zhì)邊緣覆蓋。這些設(shè)計(jì)可直接用于3D打印，這是針對患者定制化植入體的首選生產(chǎn)方法。

“解剖學(xué)工程”的標(biāo)準(zhǔn)

Mimics Innovation Suite以準(zhǔn)確有效的方式將3D影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的數(shù)字模型。從光學(xué)掃描，CT或MRI數(shù)據(jù)開始，Mimics Innovation Suite提供先進(jìn)的圖像分割方法、最廣泛的解剖學(xué)測量選項(xiàng)、用于解剖和3D打印工程的強(qiáng)大CAD工具，以及用于FEA和CFD的精確模型準(zhǔn)備。

在本案例研究中，作者使用Mimics Innovation Suite，用以下步驟創(chuàng)建定制化膝關(guān)節(jié)植入體：

- 分割并比較在不同負(fù)載條件下進(jìn)行的MRI掃描的關(guān)節(jié)軟骨
- 分析不同患者膝關(guān)節(jié)表面的解剖差異
- 直接基于解剖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定制化膝關(guān)節(jié)植入體