让患者定制化植入体设计更简单

来源：Materialise

来自Stellenbosch大学的研究员研究了全膝关节置换术采用定制化植入体的方式是否优于传统方式。
案例由来自南非Stellenbosch 大学的D. van den Heever ，J.H. Muller 和 C. Scheffer展示。
每年全球有超过一百万的关节炎患者接受膝关节置换手术。虽然膝关节是最复杂的关节之一，但传统膝关节植入体仅有制造商定义的标准形状与大小。

在这个案例中，来自Stellenbosch大学的研究员致力于研究定制化植入体设计的可行性。他们首先分析了膝关节接触压力点的位置；然后，分析定制化方法是否在全膝关节置换术上优于传统方式；最后，他们对设计这种定制化植入体进行了概念验证。Materialise Mimics Innovation Suite® 软件中的大量工具被证明是在这个研究各方面的关键技术。

第一步：膝关节接触压力点分析

关节面之间的接触区域变小经常会导致膝关节负担过大，从而导致接触压力升高。为了模拟这种压力，研究人员通常采用基于患者的MR或CT等影像数据中获取的3D模型进行特定的有限元分析。然而，这些模拟只有用实验数据验证才可信赖，这也带来了很多大的挑战。例如，关节软骨能够在负载作用下贴合接触面的几何形状，这种现象很难通过实验进行量化。

通过Materialise Mimics Innovation Suite的帮助，Stellenbosch大学的研究员分析了膝关节在不同负载条件下的MRI数据，通过FEA来验证模拟接触面的几何形状。

为了能够观察到髌骨和股骨软骨，研究员做了两次膝关节的MRI扫描：一次完全伸展状态，股四头肌松弛；另一次30度角弯曲状态，使用MRI兼容的负载框架进行负载作用。

应用Mimics中先进的MRI分割工具，研究员们将2D图像序列重建为骨骼和软骨的精确3D模型。接下来，他们用Mimics 的registration（配准）工具将第一次伸展状态下得到的没有受压的软骨虚拟地放置在第二次扫描的弯曲的膝关节上。这个操作可以让髌骨和股骨软骨的重叠，通过布尔交叉运算进行提取。结果显示，测量数据和FEA预测数据之间有紧密相关性，这个结论给了研究人员必要的信心，来使用这个技术进行定制化膝关节植入体开发。


步骤二：定制化植入体是否有利？

在下一阶段，团队想确定与胫骨挂钩的股骨髁接触区域是否有固定的半径，以及在不同患者身上半径是否都一致。

团队用激光扫描仪扫描了几个尸体样本股骨远端的股骨髁，并用3-matic软件将后续点云转换成精确的3D模型。为了研究和比较髁曲率，团队在每个髁上绘制相交平面，其近似于外科上髁视图。导出所得的相交曲线，在每个点处进行曲率的统计分析。该分析表明，髁突表面在个体之间存在显着差异，并且接触半径不是恒定的。因此，研究人员假设膝关节假体的定制方法可以优化其功能并改善植入体的寿命。

定制化胫骨近端植入体可以通过减少术中骨损失，减少手术时间和复杂性，避免植入体锋利边缘上的不均匀应力分布，来进一步改善临床结果。带着消除这些障碍的目标，Stellenbosch大学团队开始设计患者定制化膝关节植入体。


步骤三：设计定制化植入体

为了设计定制化植入体，研究小组从膝关节的CT扫描开始。通过Mimics，他们生成了股骨远端和胫骨近端的3D模型。将3D模型导入3-matic，使用3-matic灵活的设计工具直接根据患者数据创建定制化单髁膝关节置换植入体，从而保证完美契合。此外，胫骨托的设计时要保证完整的皮质边缘覆盖。这些设计可直接用于3D打印，这是针对患者定制化植入体的首选生产方法。

“解剖学工程”的标准

Mimics Innovation Suite以准确有效的方式将3D影像数据转换为高质量的数字模型。从光学扫描，CT或MRI数据开始，Mimics Innovation Suite提供先进的图像分割方法、最广泛的解剖学测量选项、用于解剖和3D打印工程的强大CAD工具，以及用于FEA和CFD的精确模型准备。

在本案例研究中，作者使用Mimics Innovation Suite，用以下步骤创建定制化膝关节植入体：

- 分割并比较在不同负载条件下进行的MRI扫描的关节软骨
- 分析不同患者膝关节表面的解剖差异
- 直接基于解剖结构设计定制化膝关节植入体

让患者定制化植入体设计更简单

来源：Materialise

来自Stellenbosch大学的研究员研究了全膝关节置换术采用定制化植入体的方式是否优于传统方式。
案例由来自南非Stellenbosch 大学的D. van den Heever ，J.H. Muller 和 C. Scheffer展示。
每年全球有超过一百万的关节炎患者接受膝关节置换手术。虽然膝关节是最复杂的关节之一，但传统膝关节植入体仅有制造商定义的标准形状与大小。

在这个案例中，来自Stellenbosch大学的研究员致力于研究定制化植入体设计的可行性。他们首先分析了膝关节接触压力点的位置；然后，分析定制化方法是否在全膝关节置换术上优于传统方式；最后，他们对设计这种定制化植入体进行了概念验证。Materialise Mimics Innovation Suite® 软件中的大量工具被证明是在这个研究各方面的关键技术。

第一步：膝关节接触压力点分析

关节面之间的接触区域变小经常会导致膝关节负担过大，从而导致接触压力升高。为了模拟这种压力，研究人员通常采用基于患者的MR或CT等影像数据中获取的3D模型进行特定的有限元分析。然而，这些模拟只有用实验数据验证才可信赖，这也带来了很多大的挑战。例如，关节软骨能够在负载作用下贴合接触面的几何形状，这种现象很难通过实验进行量化。

通过Materialise Mimics Innovation Suite的帮助，Stellenbosch大学的研究员分析了膝关节在不同负载条件下的MRI数据，通过FEA来验证模拟接触面的几何形状。

为了能够观察到髌骨和股骨软骨，研究员做了两次膝关节的MRI扫描：一次完全伸展状态，股四头肌松弛；另一次30度角弯曲状态，使用MRI兼容的负载框架进行负载作用。

应用Mimics中先进的MRI分割工具，研究员们将2D图像序列重建为骨骼和软骨的精确3D模型。接下来，他们用Mimics 的registration（配准）工具将第一次伸展状态下得到的没有受压的软骨虚拟地放置在第二次扫描的弯曲的膝关节上。这个操作可以让髌骨和股骨软骨的重叠，通过布尔交叉运算进行提取。结果显示，测量数据和FEA预测数据之间有紧密相关性，这个结论给了研究人员必要的信心，来使用这个技术进行定制化膝关节植入体开发。


步骤二：定制化植入体是否有利？

在下一阶段，团队想确定与胫骨挂钩的股骨髁接触区域是否有固定的半径，以及在不同患者身上半径是否都一致。

团队用激光扫描仪扫描了几个尸体样本股骨远端的股骨髁，并用3-matic软件将后续点云转换成精确的3D模型。为了研究和比较髁曲率，团队在每个髁上绘制相交平面，其近似于外科上髁视图。导出所得的相交曲线，在每个点处进行曲率的统计分析。该分析表明，髁突表面在个体之间存在显着差异，并且接触半径不是恒定的。因此，研究人员假设膝关节假体的定制方法可以优化其功能并改善植入体的寿命。

定制化胫骨近端植入体可以通过减少术中骨损失，减少手术时间和复杂性，避免植入体锋利边缘上的不均匀应力分布，来进一步改善临床结果。带着消除这些障碍的目标，Stellenbosch大学团队开始设计患者定制化膝关节植入体。


步骤三：设计定制化植入体

为了设计定制化植入体，研究小组从膝关节的CT扫描开始。通过Mimics，他们生成了股骨远端和胫骨近端的3D模型。将3D模型导入3-matic，使用3-matic灵活的设计工具直接根据患者数据创建定制化单髁膝关节置换植入体，从而保证完美契合。此外，胫骨托的设计时要保证完整的皮质边缘覆盖。这些设计可直接用于3D打印，这是针对患者定制化植入体的首选生产方法。

“解剖学工程”的标准

Mimics Innovation Suite以准确有效的方式将3D影像数据转换为高质量的数字模型。从光学扫描，CT或MRI数据开始，Mimics Innovation Suite提供先进的图像分割方法、最广泛的解剖学测量选项、用于解剖和3D打印工程的强大CAD工具，以及用于FEA和CFD的精确模型准备。

在本案例研究中，作者使用Mimics Innovation Suite，用以下步骤创建定制化膝关节植入体：

- 分割并比较在不同负载条件下进行的MRI扫描的关节软骨
- 分析不同患者膝关节表面的解剖差异
- 直接基于解剖结构设计定制化膝关节植入体