保留髋关节骨骼的定制植入物设计

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概述 髋臼骨溶解是髋关节置换术的常见并发症,由于植入物周围骨质流失导致松动将影响长期疗效。骨质流失的原因包括金属对聚乙烯轴承的磨损和假体周围感染,引发炎症从而破坏骨组织。 传统的 X 射线难以有效检测骨溶解,限制了骨质流失的早期识别,而 CT 扫描为规划翻修治疗评估骨质流失则更精准。英国皇家国家骨科医院(RNOH)的 Simpleware 软件用户通过 3D 打印的定制植入物重建严重的骨缺损并恢复丢失的骨结构。RNOH、Synopsys 和 implantcast GmbH 公司合作的治疗方法旨在最大限度地减少骨切除、改善定制植入物放置和手术效果。 亮点 定制化工作流程改善复杂骨科病例的术前计划 Simpleware 软件中基于 AI 的图像分割技术可加快实现从设计到手术的工作流程 与设计工具及术后复查的整合形成反馈循环,提高精度、降低并发症风险并支持更好的长期患者预后 定制植入物设计 在该工作流程中,RNOH 的外科医生筛选需要先进手术干预的复杂患者病例,例如存在严重骨质流失。Implantcast 公司的植入物设计师采用 Simpleware 软件根据患者 CT 扫描数据生成虚拟骨骼模型,基于人工智能的自动分割和解剖标记工具可简化此流程,随后通过手动编辑选项处理严重的成像伪影和其他复杂情况。 然后在骨骼模型中进行定制植入物的设计与定位,确保其与解剖结构精准适配。植入过程配备一体化手术导板实现螺钉的准确定位,假体由钛金属 3D 打印制成。 图:规划定制植入物的流程 术前规划和术后护理 与传统植入物设计通常需要侵袭性切除相比,这种定制化方法的一个关键好处就是减少了骨切除的需求。植入物的精度能够优化固定,而内置导板可提高术中螺钉轨迹的准确性以适应每个患者的骨质量和解剖结构。 这种针对患者的适配提高了植入物的稳定性和对准,并降低手术及术后并发症的风险。手术后通过 CT 扫描确认精准的植入物定位、评估如骨生物力学的恢复等结果。继而将这些见解反馈到设计流程中,不断完善未来的植入物规划。 图:特定患者的3D 模型改善植入物的设计和放置,降低手术并发症的风险 总结 定制化 3D 打印钛金属植入物对于重建复杂的骨缺损非常有效。金属对金属(MoM)植入物骨溶解的早期干预对防止进行性骨丢失至关重要,而横断面 CT 成像在评估骨完整性中发挥着关键作用。 由 RNOH、Synopsys 和 implantcast 开发针对特定患者的个性化治疗方案,通过 AI 驱动的工具和快速的迭代设计有效缩短了规划时间。外科医生和工程师之间的这种协作模式有助于每位患者获得最佳治疗效果。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/bone-preserving-design.html 相关讲座视频 https://register.gotowebinar.com/register/5775681147322486623 Di Laura, A., Hart, A., Henckel, J., 2025. Advancing custom […]

心肌干细胞移植治疗心肌梗死的生物力学研究

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概述 生物材料和干细胞输送是治疗心肌梗死颇具前景的方法,然而其治疗效益背后的力学和生化机制仍需进一步阐明。本研究基于一只左心室梗死且心肌内注射了生物材料的大鼠心脏离体显微计算机断层扫描数据,创建心肌壁中层梗死区域的微观结构有限元模型,在模型的注射物内数值模拟地植入 9 个细胞。结合该模型与同一大鼠心脏的双心室模型,量化采用不同生物材料弹性模量(Einj)时一个心动周期内的细胞变形。 构建模型 通过对雄性大鼠的左前降支冠状动脉进行永久性结扎诱导心肌梗死,七天后将 100 μL 含铬酸铅的不透射线硅橡胶注射到梗死区域。随后取出心脏并进行离体 CT 扫描,将图像数据导入 Simpleware 软件重建双心室几何结构,呈现左、右心室的基本形态以及左心室游离壁中弥散注射物的微观结构细节。在 Simpleware FE 模块进行体积网格划分,心肌和注射物区域分别包含 147240 和 58902 个四面体单元。将网格模型导入 Abaqus 软件,通过识别生物材料注射物周围的节点确定梗死区域近似范围。采用基于规则的方法实现心外膜 -50° 至心内膜 80° 的肌纤维取向。 在 Simpleware 软件中通过减小心脏 CT 图像数据的间距进行重采样(由 30 μm 更改为 7.8 μm),重建左心室壁中层梗死区域 748 × 748 × 722 μm 体积的高分辨率微观结构。使用自定义 Python 脚本在注射区域内随机放置 15 个细胞模型,其中 6 个因位于心肌组织、模型边界或界面附近而被排除在分析之外。创建细胞膜、细胞质和细胞核的直径分别为 60 μm、55 μm、20 μm,通过布尔运算得到 5 μm 厚的细胞膜和 35 μm 厚的细胞质。 图:大鼠双心室及左心室壁中层(含注射区域移植细胞)微观结构的多尺度建模(a)双心室结构(b)双心室网格模型(c)显示梗死区域节点的网格模型(d)左心室壁中层微观结构模型的构建(e)微观结构的网格模型,其中心肌和注射物采用粗糙网格,细胞使用精细网格(f)单个细胞网格模型(g)模拟中的边界条件将双心室有限元网格的基底节点(红色)设为固定 结果与分析 当注射物的弹性模量 Einj = 7.4 […]

人工智能自动分割工具:前庭神经鞘瘤的 3D 体积分析

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概述 NF 2相关神经鞘瘤病(NF 2-SWN)是一种罕见的常染色体显性遗传疾病,由染色体 22q12 上的 NF 2 基因突变引起,特征是神经系统肿瘤,如前庭神经鞘瘤(VS)、脊髓脑膜瘤和周围神经肿瘤。VS 患者可能听力丧失、耳鸣、面部麻痹、以及预期寿命缩短。 鉴于典型测量肿瘤大小方法(线性分析和体积分析)的局限性,准确追踪肿瘤生长的 3D 体积分析越来越受欢迎,但因耗时耗人力限制其在临床实践中的应用。本研究基于人工智能(AI)和机器学习(ML)算法对数据集进行训练,开发自动分割和计算 VS 肿瘤 3D 体积的方法,大大缩短时间并提高图像处理精度。 图像处理 创建概念验证数据集 真实数据集为从耶鲁纽黑文医院和公众招募患者中获得的 143 个 MRI 图像数据,所有用于概念验证(POC)的图像均为 T1 加权增强 MRI 扫描。图像质量由研究人员确定,根据体素大小进行分类:高质量(小于 0.5 × 0.5 × 1.0)、中等质量(小于 1.0 × 1.0 × 1.0)和低质量(大于 1.0 × 1.0 × 1.0)。 将图像数据导入 Simpleware 软件创建肿瘤模型,为突出显示 VS,在包含肿瘤块的选定切片上应用阈值分割,使用 Split regions 工具分离出肿瘤并去除非肿瘤区域体素。考虑到掩膜边界的体素,使用 Paint 工具通过在切片视图的涂画调整缺失和多余的体素。所有模型都由神经放射科医生审查并进行必要的修正。对于分割后的肿瘤掩膜,使用 Volume 工具直接获得其测量的 3D 体积。为可视化肿瘤的形状、大小和生长模式,还创建了脑桥掩膜。使用度量如 DICE 系数将 Simpleware 输出与真实数据注释进行验证。 图:Simpleware 软件中由 MRI 图像手动分割 VS 肿瘤的过程 […]

多节段经椎间孔、后路及侧方入路腰椎椎体间融合术的生物力学比较

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概述 在人口老龄化背景下,针对退行性脊柱侧凸、后凸等成人脊柱畸形(ASD)的脊柱融合手术数量在全球范围内呈持续上升趋势。脊柱外科医生通常选择长节段固定融合术矫正 ASD 患者矢状面与冠状面的失衡,并联合多节段腰椎椎体间融合术(LIF)增强节段稳定性、维持矫形效果。 本研究基于 CT 扫描图像数据构建 L2-L5 节段的四种手术模型:腰椎后外侧融合术(PLF)、经椎间孔腰椎椎体间融合术(TLIF)、后路腰椎椎体间融合术(PLIF)及侧方入路腰椎椎体间融合术(LLIF),采用有限元方法验证椎间稳定性并量化初始固定时连接棒与椎弓根螺钉的应力,筛选可降低连接棒断裂及螺钉松动等机械并发症风险的固定方案。 图像处理 获取无腰椎疾病的健康成年女性患者 CT 扫描数据,导入 Simpleware 软件进行图像处理,创建 L1-S1 脊柱区域的三维模型。模型中包含 L1-S1 椎体(分为皮质骨和松质骨)、前纵韧带(ALL)、后纵韧带(PLL)、黄韧带(LF)和椎间盘(IVD,分为纤维环和髓核)。使用 Patran 软件生成棘上韧带(SSL,2 条)、棘间韧带(ISL,3 条)、横突间韧带(ITL,8 条)和关节囊韧带(CL,16 条),韧带定义为具有横截面积的桁架单元。 图:L1-S1 完整模型(A)前视图(B)后视图(C)侧视图 为模拟 L2-L5 节段的 PLF、TLIF、PLIF 和 LLIF 外科手术,使用 Simpleware 软件对完整的 L1-S1 模型进行修改和优化:后路固定 8 枚椎弓根螺钉(L2、L3、L4/L5 螺钉的直径和长度分别为 4.5/45 mm、5.5/50 mm、6.0/50 mm)和 2 根连接棒(直径 5.5 mm)。 PLF 模型仅为后路固定,所有韧带和 IVD 均完好无损。 TLIF 模型接受左侧关节突全切和椎间盘全切,在 L2-L5 椎间隙以斜行轨迹植入椎间融合器(长/宽/高分别为 22/9/9 mm)。 PLIF 模型接受双侧关节突全切(含下关节突)和椎间盘全切,在 L2 – […]

【Simpleware】自动分割膝关节 CT 计算髌骨倾斜角

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一、概述 在髌骨不稳定的诊断和治疗中,3D 成像技术(如 CT 和 MRI)有助于测量获得许多信息指标。髌骨倾斜角为股骨内、外髁最高点连线与髌骨切位的最大横径延长线形成的夹角。目前的传统方法依赖于识别正确的 2D 切片以进行准确测量的能力,需要由训练有素的放射科和骨科医生投入较多时间进行操作。就典型医学扫描仪生成的切片厚度而言,髌骨的尺寸相对较小,该测量任务赖于个人判断,若缺乏充分培训很容易出现误差,且手动测量数据具有较低的评价者信度。随着人工智能算法在图像处理中的应用,3D 成像的自动分析成为潜在的有效解决方案,可以消除对经过特殊培训医师和标准化测量方法的需求。本研究提出一种避免主观选择正确 2D 切片的方法,利用 Simpleware 软件自动标记解剖标志点测量计算髌骨倾斜角,并与传统方法和手动放置标志点法的结果进行比较。 二、图像处理 选取 30 例复发性髌骨外侧不稳定患者(至少发生两次脱位)作为研究对象,收集未实施任何手术干预前的高分辨率单膝 CT 扫描数据。另从数据库选择 15 例无髌股关节疾病患者的双侧膝盖 CT 扫描作为 30 个对照数据。 将膝关节 CT 扫描图像数据的 DICOM 格式文件导入 Simpleware 软件,使用 AS Ortho 模块的 Knee CT 工具进行一键自动分割。软件采用专有的机器学习算法识别髌股关节和胫股关节的主要骨骼结构,可分割出 股骨、胫骨、腓骨、髌骨、腓肠豆。此外,AS Ortho 在自动分割的同时还将自动标注膝关节的关键解剖标志,其中包括股骨外侧/内侧髁、髌骨外侧/内侧缘,可以利用这四个标志点计算髌骨倾斜角。该算法具有确定性特征,即任何操作者每次运行均会输出相同的结果,具备完美的评价者信度。 图1:Knee CT 自动分割工具面板,输入为原始 DICOM 图像数据,勾选 Create landmarks 即可在自动分割的同时自动标注图示中“+”处的解剖标志点,点击 Apply 执行一键操作 三、计算髌骨倾斜角 本研究采用三种方法获得用于计算髌骨倾斜角的测量数据。 3.1 3D […]

全瓷种植体固定义齿贴面-框架厚度的有限元分析

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一、概述 CAD/CAM 系统和口内扫描仪等数字技术的出现改变了牙科的临床诊疗、科研和生产,推动引入的新型修复材料兼具美观和耐用性,提高了自动化生产效率及修复体的质量控制。3D 建模结合锥形束 CT、Micro CT、MRI 等新型成像方式开启了新颖的诊断、牙科治疗和评估技术。随着技术进步和对固定局部义齿(FPD)审美需求的增加,开发的全陶瓷 FPD 具有出色的生物相容性,但陶瓷贴面碎屑是导致整个假体失败的最常见并发症。 因此,为降低贴面碎屑的风险并优化修复体性能,有必要理解全瓷种植体支持式 FPD 在功能状态下的力学行为和理想设计参数。本项目基于 Micro CT 扫描数据创建三维模型,采用有限元分析研究贴面-框架厚度比对全瓷种植体支持式 FPD 中应力分布的影响。 二、图像处理 2.1 Micro CT 扫描 种植体支持式全瓷 FPD 模型是包含两个种植体固定装置(Astra Tech Osseospeed,直径为 4.0 和 4.8 mm;Dents Plash Sirona)、定制锆基台、螺钉、水泥层和嵌入骨骼中全瓷 FPD 的组件。使用 Micro CT 扫描设备(Skyscan 1172)对两个种植体固定装置及定制基台和 FPD 进行扫描,图像像素尺寸为 34.4 μm。 图1:种植体支持式 FPD 组件的 3D 模型 2.2 创建模型 将扫描图像数据导入 Simpleware 软件,使用基于阈值的分割工具、布尔运算、形态学闭运算和 Recursive Gaussian […]

自动分割工具加速定制化植入物的设计

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概述 implantcast GmbH 公司定制植入物的 C-Fit 3D 部门每年处理约 1000 个非标准手术规划,专注于复杂的解剖结构和翻修病例。 implantcast 公司利用 Simpleware 软件中的自动分割工具处理患者特定解剖结构,通过基于 AI 的工具大大缩短时间,一键点击即可创建分割模型。工程师在应用反馈中强调了该工具的超高效率,特别是针对含金属伪影翻修病例扫描图像中骨骼和金属部分的区分,将分割时间从数小时缩短至几分钟。AI 驱动的 Bone filling 工具可以进一步简化工作流程,尤其是腕骨和掌骨的分割。Simpleware 软件提供的有效工具提高了手术规划的效率,即使是具有挑战性的数据也能获得可靠的结果,某些情况下可以节省高达 100% 的时间。 亮点 implantcast 公司通过使用 Simpleware 自动分割工具显著减少手术规划前手动分割常规程序和更为复杂图像数据处理花费的时间 分割时间从 3 小时缩短到 15 分钟,甚至某些情况下一键分割的结果就能完全满足需求 Bone filling 工具也有助于分割手部骨骼等具有挑战性的病例 介绍 implantcast GmbH 公司成立于1988年,专注于内置假体技术,提供人工关节置换、肿瘤和翻修系统等的解决方案。在过去十年里,implantcast 的C-Fit 3D 部门为非标准解剖结构和手术规划定制植入物,每年处理约 1000 例。该团队专门研究肿瘤和翻修病例,并出口到 80 多个国家。该过程从患者的 CT 成像开始,然后创建虚拟骨骼模型和可用作手术输入的植入物设计。 图1:implantcast 定制部分骨盆置换植入物的工作流程 创建这些模型的一个挑战是处理患者特定解剖结构,特别是在扫描图像中骨骼和金属部分无法区分的翻修病例中。Implantcast 使用 Simpleware 自动分割工具,通过基于 AI […]

经颅运动诱发电位阈值电压和电流密度的有限元模拟

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概述 经颅运动诱发电位(tcMEP)已广泛应用在不同外科手术过程中监测皮质脊髓束。通过放置在颅骨上的两个刺激电极进行 tcMEP 刺激是标准技术,具有较低阈值的阳极引发肌肉 MEP 反应。动脉瘤和其他幕上手术期间的传统 tcMEP 技术存在局限性,当患者全身麻醉时需要相对较高的刺激强度来激活运动神经束。因此,具有在较深皮质下激活皮质脊髓束和绕过皮质或近皮质浅表病变的风险。 连接四极 tcMEP 方法(LQP-tcMEP)的优势在于双侧颅骨上的两个阳极和两个阴极,根据国际 10-20 系统将电极放置在 M3、M4、C1、C2 处,靠近运动皮层中手臂和腿部的代表区域。由于电流扩散更广和在更多皮层或浅皮层下激活,tcMEP 可能需要较低的电压。在本研究中,通过使用逼真的头部模型进行有限元模拟(FEM),比较 LQP、M3-M4 和 C1-C2 之间在阈值和超阈值刺激强度下中央前皮质中手部、手臂和腿部的电流密度。 方法 运动诱发电位 对 25 名未破裂颅内动脉瘤患者进行开颅夹闭手术并监测 tcMEP,患者术前没有运动障碍或术中神经电生理监测禁忌症。分别在 C1、M3、C2 和 M4 位点放置螺旋电极,施加恒定电压刺激,使用 Cadwell Cascade 系统记录。采用 8 个脉冲,脉冲间隔为 2 ms,脉冲宽度为 75 μs。使用 C1-M3 和 C2-M4 处电极配置 LQP 蒙太奇,C1-C2 或 M3-M4 测试双极蒙太奇,从手部的拇短展肌/小指展肌和脚部的趾短伸肌/拇展肌获得 MEP 阈值电压。对于每位患者,随机测试 LQP、M3-M4 和 C1-C2,从每次蒙太奇的手和脚获得刺激阈值。阈值响应定义为可记录到较小(幅度超过 25 μV)和可靠复合肌肉动作电位(CMAP)的最低刺激强度,在 […]

肿瘤电场治疗全胸模型中非小细胞肺癌的计算分析

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一、概述 非小细胞肺癌(NSCLC)占肺癌中的大多数,标准治疗方法有手术、放射治疗和药物治疗,包括细胞毒性化疗、靶向药物或根据肿瘤分子分型结果的免疫治疗。然而对于许多患者来说,不良反应往往会限制某些临床护理选择并降低生活质量。肿瘤电场治疗(TTFields)采用频率为 150 至 200 kHz 的交变电场,通过 2 对彼此正交放置的换能器阵列连接便携式电场发生器从外部施加到身体,在肿瘤细胞有丝分裂时破坏肿瘤细胞发挥抗癌作用。 TTFields 的疗效最初是在胶质母细胞瘤中进行研究,结果显示它可以延长新诊断患者的生存期。然而,人们对胸腔内 TTFields 的传播了解甚少。与浸泡在高导电性脑脊液中的大脑不同,肺泡和支气管内的空气是一种非导电介质,可能会改变 TTFields 的行为。本项目获取 4 名低分化肺腺癌患者的正电子发射断层扫描和计算机断层扫描图像数据集,通过图像处理创建大体肿瘤体积(GTV)、临床靶区(CTV)和从胸部表面到胸腔内的结构,然后使用有限元模拟研究电场的穿透能力和分布特性。 二、模型准备和模拟 2.1 图像获取 从癌症中心获取 4 名 NSCLC 患者的 DICOM 成像数据,用于回顾性影像学分析。本研究使用计算机断层扫描(CT)和正电子发射断层扫描图像,在 Simpleware 软件中对胸部各种组织的 CT 图像进行分割,然后与正电子发射断层扫描数据进行配准以勾画出 GTV。模型的准确性高度依赖于输入参数和用于勾画各种解剖结构的图像分辨率,因此在分割前将每个图像数据集超采样为 1 × 1 × 1 mm 的分辨率,使用切片之间的最近邻插值最大限度地减少体素边缘效应。 2.2 图像分割 胸内组织在患者个体间并不均匀,包括但不限于各种胸肌、皮质骨、松质骨、血管、气腔和心脏结构。单独分割气道结构(如隆突、气管)和血管(如下腔静脉、上腔静脉)作为空间参考的解剖标志。由于每个 GTV 的位置独特,模型之间存在 TTFields 异质性。在每个 GTV 周围均匀扩展 3 mm 作为 CTV,从而包含放射影像中不一定能检测到的亚临床微观疾病。将 CTV 和 GTV […]

采用增材制造点阵设计增强医用植入物的功能性

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一、概述 抗生素耐药细菌种类的增加推动了对最小化感染风险医疗器械的需求。抗菌功能可以通过修改植入物的设计实现,即并入一个局部释放治疗剂的储存库,因此维持植入物的机械功能至关重要。本研究通过增材制造探索可能实现设计灵活性的机会,开发多种内部多孔晶格结构模型用于最大限度地提高装载药物体积,同时保持髋关节植入物的承载能力。 图1:髋关节植入物的 CAD设计(a)传统植入物(b)晶格设计提供装载治疗剂的孔隙空间 二、设计、模拟与制造 2.1 晶胞设计 目前二期髋关节翻修占位器的使用寿命有限且无法承受患者的全部负荷,本研究对其具有内部晶格的结构优化进行研究。晶格根据多孔金属压缩试验国际标准 ISO 13314 设计,选择压缩晶格直径 Do 和 高度 Ho 均为 15 mm的圆柱体试样,遵循 Ho = Do ~ 2 Do,试样直径与平均孔径 da 的关系为 Do ≥ 10 da。值得注意的是,M2 Cusing SLM 系统(德国 Concept Laser)的分辨率要求最小支柱直径约为 0.2 mm 才能达到可接受的零件质量。 使用 Simpleware 软件创建 8 种不同晶胞类型的压缩晶格结构。为能够加入最大体积的治疗剂,每种晶胞类型的目标体积分数(固体与孔隙的比率)以 10 为增量递减,直到在保持所有设计参数的情况下确定最低可能的体积分数。晶胞周期(沿轴填充图像域的晶胞数量)在 X、Y 和 Z 方向上相同,以 5 为步长变化。随着体积分数降低或晶胞周期增加,支柱直径会减小。因此,在确定可能的最低体积分数后,为每个压缩晶格设计最高的晶胞周期,这将为每种晶胞类型提供在 SLM 设备限制范围内的最小支柱直径。 2.2 有限元分析 在 Simpleware FE 中为每个晶格结构生成高质量的四面体网格模型,导入 Comsol Multiphysics 软件进行有限元分析。轴向施加 2300 N,底面施加所有方向的固定约束。设置 […]

 
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