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 […]

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 […]

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 […]

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 […]

检测不同髋关节手术后髂腰肌肌腱炎的新型模拟

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概述 髂腰肌肌腱炎通常由髂腰肌肌腱和髋臼杯之间的撞击引发,影响约 18% 的全髋关节置换术(THA)和 30% 的髋关节表面置换术(HRA)患者。已研究开发出一种用于检测髂腰肌撞击的新型模拟,且在 THA 患者中验证。 本项目将验证扩展到 HRA 患者,比较 THA 和 HRA 患者的结果。使用 Simpleware 软件对 12 名患者的两组 CT 扫描数据进行分割、标记、导出后进行模拟。结果表明,模拟能够显著预测髂腰肌肌腱炎,并在 THA 和 HRA 患者的研究中区分有症状和无症状队列。这种新颖的模拟将为术前髋臼杯的放置决策和术后髂腰肌肌腱炎诊断提供助力。 亮点 已开发并验证一种检测髂腰肌撞击的新型模拟 在 Simpleware 软件中分割和标记 CT 扫描数据 模拟可显著预测髂腰肌肌腱炎 改善术前和术后手术决策 介绍 髋关节表面置换术(HRA)是全髋关节置换术(THA)治疗终末期髋关节骨关节炎(OA)的替代手术方案。与 THA 相比,HRA 具有相同的翻修率,同时保留了更多的骨量,能够更好地恢复天然生物力学。然而,腹股沟疼痛和髂腰肌肌腱炎仍是 HRA 后的常见并发症。最常见的原因是由于髋臼植入物的偏位、前倾不足或尺寸过大等因素造成髋臼杯前缘与髂腰肌肌腱的撞击。 本研究在前期 THA 模拟的基础上,通过对有症状和无症状患者的病例对照研究,探讨 HRA 患者髂腰肌肌腱炎的发生机制。然后将这些结果与先前收集的 THA 结果进行比较,研究臼杯撞击和肌腱炎机制的差异。 本研究对两个假设进行检验。首先,有症状 HRA 患者队列在仰卧位和站立位的撞击程度均显著高于无症状 HRA 患者。其次,由于与 HRA 相关的髋臼杯较大,有症状 […]

 
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