课题背景：延长人工关节的有效使用寿命是人工关节研究的目标和难题。骨吸收和无菌性松动是影响其使用寿命的主要因素。计算机辅助设计和制造在人工关节方面的应用是一个有价值和发展前途的方向。

应用要点：以CT二维图像为依据，进行三维反求，可获得精确的股骨内外轮廓三维实体模型；采用图像反求工程和正向CAD设计相结合的方法，设计出个体化股骨假体，可以有效减少和防止骨吸收和无菌性松动的发生。这对于其他人体器官的三维模型建立同样具有很好的借鉴作用。

相关链接：计算机辅助设计和制造个体化假体克服了其他假体的缺点，可有效地延长人工关节的使用寿命和使用质量，并可能解决人工关节的翻修问题。国内的研究尚处于起步阶段，个体化假体主要用于畸形和肿瘤患者的治疗。随着数字制造技术的发展，个体化假体的设计制造在21世纪将会越来越成为普遍和成熟的技术。

1南通大学附属医院骨科，江苏省南通市 226001； 2苏州大学附属第二医院骨科，江苏省苏州市215004；3南通市虹桥医院, 江苏省南通市226001；4肥城市中医院骨科，山东省肥城市 271600；5南通大学机械工程学院，江苏省南通市226007

朱建炜☆，男，1973年生，江苏省南通市人，汉族，2006年苏州大学医学院毕业，博士，主治医师，主要从事创伤与关节外科方面的研究。
zhujianweint@
126.com

江苏省南通市社会发展科技计划项目(S2007043)*；南通大学自然科学项目(07Z097)*；苏州大学优秀博士学位论文选题立项资助(23320517)*

摘要
目的：基于CT图像的三维重建，探求个体化股骨假体计算机辅助设计在提高假体与病变骨骼匹配度中的作用。
方法: 实验于2005-09/2007-08在南通大学附属医院骨科实验室和南通大学机械工程学院机电CAD&CAM研究室完成。样本来源：CT扫描对象为健康男性志愿者1例，排除髋关节疾患，年龄30岁，身高175 cm，体质量65 kg。采用GE Speed Light 16排螺旋CT对股骨中上段进行层厚3 mm扫描，得到CT数据的二维图像，利用自主开发的数据格式转换软件将CT图像转换为bmp格式。对位图编辑预处理，用Mimics8.1软件进行矢量化处理，提取股骨内外轮廓。然后输入Mimics8.1和Rapidform2004三维反求工程软件中，生成股骨内外轮廓的特征曲线，重建股骨三维模型。将股骨髓腔的特征轮廓曲线dxf文件输入CAD建模软件Solidworks2004中，以此股骨髓腔轮廓为基础，完成个体化股骨假体的设计。
结果: 利用自主开发的数据格式转换软件，实现了CT图像信息的矢量转换。以CT二维图像为依据，进行三维反求，可获得精确的股骨内外轮廓三维实体模型。采用反求工程与正向CAD相结合,可设计出匹配良好的个体化股骨假体。
结论: 反求工程和CAD技术为个体化假体的研制提供了一个有效可行的途径，解决假体与病变骨骼的良好匹配，可防止假体松动，提高其长期稳定性。
关键词: 股骨；三维重建；计算机辅助设计；个体化假体；人工假体；假体松动；假体稳定性

朱建炜，刘璠，张烽，董启榕，许炜玮，白恩忠，黄希.基于CT三维重建个体化股骨假体计算机辅助设计：满足假体与病变骨骼的匹配度[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(17):3233-3236
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-17/17k-3233(ps).pdf]

中图分类号: R318
文献标识码: B
文章编号: 1673-8225
(2008)17-03233-04

收稿日期：2008-01-19
修回日期：2008-02-14
(08-50-1-545/M·A)

Computer-assisted design of individualized femoral prosthesis according to three-dimensional reconstruction of CT images

Abstract
AIM: To study computer-assisted design for individualized femoral head prosthesis according to three-dimensional (3D) reconstruction of CT images for improving prosthesis and affected skeleton matching.
METHODS: The experiment was performed at the laboratory of Department of Orthopaedics, Affiliated Hospital of Nantong University and CAD&CAM laboratory of Mechanical Engineering College of Nantong University between September 2005 and August 2007. The CT scanning image of one healthy male 30-year-old volunteer, with no hip joint disease, 175 cm and 65 kg. His femur was scanned with GE Speed Light CT with 3.0 mm thick cross-section slices. CT 2D images were transmitted to a computer. The medical image format was translated from DICOM into bmp. Inner and external bone contours were drawn automatically or by hand and processed digitally, then these data were downloaded into 3D Mimics8.1, and Rapidform2004 software, and then the 3D femoral canal model was rendered. Femur canal contours curve was downloaded into the Solidworks2004 software in the form of dxf. Femoral prosthesis was designed on the base of femoral canal contours curve.
RESULTS: The CT image was transmitted in the form of vector by a set of self-made medical image processing software. The accurate 3D femoral internal/external outline model was obtained by CT 2D image and reserve technique. Suitable femoral prosthesis was designed by means of image reverse engineering and norientation CAD.
CONCLUSION: Reverse engineering and CAD provide an effective way to develop individualized prosthesis, improve the matching of prosthesis and affected skeleton, prevent prosthesis loosening and improve long-term stability.

Zhu JW, Liu F, Zhang F, Dong QR, Xu WW, Bai EZ, Huang X.Computer-assisted design of individualized femoral prosthesis according to three-dimensional reconstruction of CT images. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(17):3233-3236(China) [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-17/17k-3233(ps).pdf]

0 引言

髋关节置换给严重髋关节病变的患者带来了革命性的治疗。而人工关节的形状以及与股骨上段髓腔匹配的程度，是直接影响人工关节长期稳定性、活动度及人工关节生物力学性能的重要因素。良好的匹配可以起到早期稳定的作用,更是长期稳定的基础。由于人体的绝对个性化特点，标准人工假体与患者骨骼之间的误差使二者难以很好匹配。同时，一些患者骨骼呈先天性畸形或由于骨骼病变造成骨与关节大面积损坏，其骨骼关节与正常情况明显不同，亦不可能选用标准人工假体。计算机辅助设计个体化股骨假体，通过对患者骨骼的三维重建，为每一位患者进行特殊设计和制造，提高了假体与病变骨骼的匹配度，提高了人工关节的长期稳定性，有效防止了关节松动，将是一个理想的途径[1-3]。

1 材料和方法

设计：观察实验。
单位：南通大学附属医院, 南通大学机械工程学院。
材料：实验于2005-09/2007-08在南通大学附属医院骨科实验室和南通大学机械工程学院机电CAD&CAM研究室完成。
样本来源：CT扫描对象为健康男性志愿者1例，排除髋关节疾患，年龄30岁，身高175 cm，体质量65 kg。实验经过医院伦理委员会批准。
设计、实施、评估者：设计、实施为第一作者，资料收集及结果评估为其他作者，评估采用盲法。
方法：
CT图像数据的获取：志愿者仰卧于GE Speed Light 16排螺旋CT床中央，双下肢取旋转中立位，CT焦距中心对准髋关节。扫描条件：120 kV,100 mA，层厚3 mm，扫描时间为1 s，矩阵大小为512×512，像素深度为16 bit，视窗直径为360 mm，窗宽1 800，窗位600。设定扫描从股骨头上1 cm，向下间隔3 mm扫描股骨中上段。将扫描后储存在主机的DICOM格式的CT图像数据传送到CT三维重建的工作平台内，经由图像储存库的USB端口传入移动硬盘内，再将移动硬盘的数据传至小型计算机工作平台内待后期处理。
CT图像数据的矢量化处理：
还原CT图像：由于CT所呈现的数据为DICOM格式的文件，在矢量化时计算机无法识别，因此，首先要将其转化为计算机可识别和最容易数据处理的BMP格式的位图(即点阵图)。根据DICOM3.0的标准，采用自己研发的dicom to bmp 1.0软件系统，将DICOM格式CT图像转换成BMP格式。Dicom文件的组成是一个文件头＋数据段，读取时只需要将文件头去掉，可以得到数据段，然后按照bmp文件格式生成bmp图像。
位图编辑预处理，提取股骨轮廓: 根据股骨近端解剖特点，采用自动提取与手工提取相结合的方法[4]，股骨干区采用mimics程序系统自动提取,小粗隆及以上区采用手工提取，用photoshop自带的画笔软件来处理。
股骨模型的三维反求重建：采用比利时materialise公司的Mimics8.1快速逆向工程软件对股骨数据进行噪音去除、片层图象数据的合并，完成骨骼曲面初步三维重建，获取曲面特征，最终直接转换成快速原型设备所需要的标准三维文件格式STL[5-6]。
进一步采用韩国INUS公司的Rapidform2004逆向工程软件完成股骨曲面的修正以及曲面的最终生成工作，完成股骨模型的三维重建。从Rapidform2004做切片，导出股骨的内外表面的特征轮廓曲线，将这些特征的轮廓曲线导出为dxf文件，提供给三维CAD系统使用，就可以进一步进行假体的CAD设计。
个体化股骨假体的优化设计：在solidworks2004中，以此股骨髓腔轮廓为基础，完成个体化假体三维模型。具体步骤如下： 在原来股骨髓腔内表面模型切片轮廓上修改，进行切片轮廓重新规划，生成假体模型切片轮廓；生成假体三维表面模型，每一切片轮廓，12个点组成样条曲线，一共14个轮廓；将假体远端抛光，减少应力遮挡，近端设计一个假体颈和股骨头，生成假体三维实体模型。
主要观察指标：股骨内外轮廓三维实体模型。

2 结果

利用自主开发的数据格式转换软件系统dicom to bmp 1.0，实现了CT图像信息的矢量转换。股骨小粗隆以下髓腔横截面为类圆形或类椭圆形，皮质骨与髓腔灰度差较大，识别所得
边缘清晰，拾取的曲线连续，见图1。股骨近段小粗隆及以上髓腔主要为松质骨，横截面形态不规则,灰度差小且分布不均匀，见图2。单独应用计算机自动进行边缘识别不能得到完整的轮廓曲线，需人为参与，特别是股骨距髓腔侧的轮廓，我们采用人工方法进行边缘提取，依解剖学知识进行识别，见图3。

以CT二维图像为依据，进行三维反求，可获得精确的股骨内外轮廓三维实体模型，见图4。重建的股骨上段髓腔的侧面观为“S”形,上端宽下端窄类似漏斗状，见图5。采用反求工程与正向CAD相结合,假体柄模型略小于同截面髓腔轮廓，体现了原始髓腔的基本形态，经对远近端处理后，一个与髓腔最大程度匹配的假体柄即已生成，并同时保证了该假体柄能够顺利地插回到髓腔中，见图6。

3 讨论

当前国内各医院使用的CT、MR的图像工作站均采用容积重建方法，仅可作三维显示，无法用于进一步工程学处理，制约了人体器官影像信息在生物医学工程制造中的应用。CT数据的通用文件为DICOM数据格式[7-9]，在CT图像处理方面美国通用、德国西门子、日本东芝的水平世界领先，已经开发出具有三维重建功能的CT系统，但由于技术垄断，价格均在10万美金以上，而且只能在影像专用系统上实现，不能随意安装于普通计算机，数据不能输出，不能够共享分析，使用受限制。另外，由于各厂家的图像数据文件格式不同、文件代码不公开或经过加密处理，使得图像格式转换也十分困难，必须得到仪器制造厂家的授权才能将其输入计算机[10]。受条件所限，目前对CT图像的采集多是通过扫描仪扫描医学图像将之数字化。但原始图像信息经过多次光电转换容易带入各种噪声，扫描数据的质量直接受设备质量和条件的影响，影响后续图像处理结果的精度。针对上述情况，在本次实验中,将扫描后储存在主机的DICOM格式的CT图像数据传送到CT三维重建的工作平台内，经由图像储存库的USB端口传入移动硬盘内，再将移动硬盘的数据传至小型计算机工作平台内待后期处理。此方法避免了利用扫描仪扫描CT片获取图像所带来的误差。利用自主开发的图像格式转换软件dicom to bmp 1.0，将DICOM格式的CT数据转化为计算机可识别和最容易数据处理的BMP格式的位图(即点阵图)。由于CT数据DICOM格式的分辨率为512*512*256，转换BMP格式也为512*512*256分辨率，所以骨骼轮廓的信息没有丢失。该软件具有拟合精度高、速度快，并适用于普通的CT和MR图像的特点。
虽然现在许多的图像处理软件具有轮廓处理功能，但是大多数图像处理系统并非专门为处理大量输入的点资料而设计，相对于在简化点资料，以及曲面重建上往往需要花上太多时间，因此如何有效缩短简化点资料，以及曲面重建的时间，变成各图像处理系统急欲改进的地方[11]。为了充分发挥图像反求软件和传统CAD软件各自的优点，采用图像反求工程和正向CAD设计相结合的方法，综合使用图像反求软件和传统CAD软件。这种方法既保留了反求工程设计的优势，同时又利用CAD软件强大的实体和曲面建模功能，具有更好的柔性，是RE/CAD技术在医学领域的一种很好的解决方案。该技术可以满足定制人工关节多样性、复杂性和快速性的需求，该技术成熟后还可以应用于诸如人工骨盆、椎体及其他关节等一般内植物的定制[12]，并可以进一步进行三维有限元分析[13-16]。
假体无菌性松动是影响人工关节使用寿命和患者生活质量的主要因素，引起无菌性松动的原因主要有力学因素和生物学因素。本实验主要从力学方面考虑，增加假体与骨的匹配，减少微动，使应力分布更合理。假体与骨紧密锁配增加了假体的早期稳定性，为生物固定的骨长入提供条件，可以减少引起松动的生物学因素，从而提高人工关节术后患者的生活质量和假体的使用寿命。文献报道在随访中CAD个体化假体置入后，假体周围骨质的密度高于其他类型假体，临床效果较好[17]。尽管CAD个体化假体的制作方法不同，但基本原理是一致的，那就是假体与髓腔的精确匹配。在人工髋关节置换中，假体与股骨间匹配程度是影响其长期疗效的重要因素。优化人工关节的设计主要是优化人工关节的应力分布，而后者有赖于优化人工关节几何形态的同时，提高假体与股骨匹配程度，当然还包括假体材料的优化。由于股骨近端具有显著的解剖学变异性[18-19]，为达到假体与髓腔的精确匹配，因此，从理论上讲CAD个体化假体是最理想的生物固定假体。如果采用低弹性模量材料结合表面处理技术，将更有利于应力的传导和生物固定的骨长入，达到长期稳定的效果，延长股骨假体的使用寿命[20]。

4 参考文献

1 Wang SY,Qian XS,Ge B,et al.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2007;11(26):5176-5178
王殊轶，钱省三，葛斌，等. 利用激光扫描与 CAD-CAM技术进行面部三维重建[J]. 中国组织工程研究与临床康复，2007，11（26）：5176-5178.
2 Dai KR, Zhu ZA, Sun YH, et al.Zhonghua Guke Zazhi 2005；25(5): 258-262
戴尅戎, 朱振安, 孙月华,等.计算机辅助个体化人工半骨盆的设计与应用[J].中华骨科杂志，2005,25(5):258-262
3 Werner A. Design and manufacture of anatomical hip joint endoprosthesis using CAD／CAM systems. J Mater Process Technol 2000；107(1): 18l-186
4 Webb PA. A review of rapid prototyping (RP) techniques in the medical and biomedical sector. J Med Eng Technol 2000;24(4):149-153
5 Ng KW, Mauck RL, Statman LY, et al.Dynamic deformational loading results in selective application of mechanical stimulation in a layered, tissue-engineered cartilage construct. Biorheology 2006;43(3-4):497-507
6 De Jager N, Pallav P, Feilzer AJ. Finite element analysis model to simulate the behavior of luting cements during setting. Dent Mater 2005;21(11):1025-1032
7 Su R, Campbell GM, Boyd SK. Establishment of an architecture-specific experimental validation approach for finite element modeling of bone by rapid prototyping and high resolution computed tomography. Med Eng Phys 2007;29(4):480-490
8 Imai K. Micro-CT, clinical CT. Nippon Rinsho 2006;64(9):1621-1624
9 Xu W, Xu DH, Crocombe AD. Three-dimensional finite element stress and strain analysis of a transfemoral osseointegration implant. Proc Inst Mech Eng [H] 2006;220(6):661-670
10 Huang WH,Peng H,Wang MY,et al. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2007;11(31)：6211-6213
黄文华，彭浩，王明炎，等.应用Dextroscope软件系统三维重建腰椎及其相关结构的可视化模型[J]. 中国组织工程研究与临床康复，2007，11（31）：6211-6213
11 Wang H,Wang CL,Yuan MH.Huazhong Keji Daxue Xuebao 2001;29(1)：1-3
王弘，王昌凌，袁铭辉。一种曲面网格优化的通用算法[J].华中科技大学学报，2001，29（1）：1-3
12 Wang GY,Zhang CC,Xu SG,et al. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2007;11(1):111-114
汪光晔，张春才，许硕贵，等. 基于DICOM数据快速构建髋臼三维有限元模型[J].中国组织工程研究与临床康复，2007，11（1）：111-114
13 Anderson AE, Peters CL, Tuttle BD, et al.Subject-specific finite element model of the pelvis: development, validation and sensitivity studies. J Biomech Eng 2005;127(3):364-373
14 Shim VB, Pitto RP, Streicher RM, et al.The use of sparse CT datasets for auto-generating accurate FE models of the femur and pelvis. J Biomech 2007;40(1):26-35
15 Szucs A, Divinyi T, Lorincz A. A biomechanical study of the mechanical stress transmission of dental implants using finite element analysis. Review of literature. Part I. Fogorv Sz 2006;99(4):141-147
16 d'Aulignac D, Martins JA, Pires EB, et al.A shell finite element model of the pelvic floor muscles. Comput Methods Biomech Biomed Engin 2005;8(5):339-347
17 Martini F, Lebherz C, Mayer F, et al.Precision of the measurements of periprosthetic bone mineral density in hips with a custom-made femoral stem. J Bone Joint Surg Br 2000;82(7):1065-1071
18 Massin P, Geais L, Astoin E,et al. The anatomic basis for the concept of lateralized femoral stems: a frontal plane radiographic study of the proximal femur. J Arthroplasty 2000;15(1):93-101
19 Ma RF, Liu SL, Xu J. Linchuang Guke Zazhi 2002；5(3): 164-166
马若凡，刘尚礼，许杰.国人股骨上段测量及其临床意义[J].临床骨科杂志，2002，5（3）：164-166
20 Viceconti M, Testi D, Gori R, et al.HIDE: a new hybrid environment for the design of custom-made hip prosthesis. Comput Methods Programs Biomed 2001;64(2):137-144