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随着计算机与数值分析技术在医学领域应用的快速发展,基于人体髋关节模型的各种计算机仿真研究,因所具有传统实验方法较难实现的功能,即能模拟人体髋关节各种复杂运动与受力状况,使其逐渐成为骨科基础与临床研究中的热点。为了实现仿真研究结果能真正为临床服务,仿真研究的基础—髋关节模型必须与人体正常生理特征相符合,其中的首要问题是模型必须符合髋关节的解剖形态特征。
长期以来,髋关节髋臼侧关节面在形态上的不规则使其难以量化,因而大多被简单认定或假设为半球面。人们往往根据骨性髋臼形态是半球面的假定,推断髋臼软骨面的形态,致使传统构建的髋臼曲面模型在形态上均被简化为球面模型,模型中的软骨层被简化为厚度均匀一致的半球面。由于髋关节股骨头与髋臼两个凹凸软骨关节面之间非完全吻合,关节软骨的解剖形态学参数,诸如关节软骨接触面积的变化、关节面曲率分布特点以及软骨厚度的变化等,会直接影响髋关节表面应力的分布和大小,成为影响髋关节正常生理与运动功能的基本因素,因此,本课题针对目前髋关节髋臼侧曲面模型的缺陷,研究最符合髋关节解剖形态特征的髋臼软骨参数化曲面模型。
本课题通过非接触式激光扫描仪获取髋臼软骨关节面的几何信息-点云数据,运用反求工程技术重建髋臼软骨曲面,分析髋臼软骨曲面的形态特征,据此构建新型的髋臼软骨参数化曲面模型。进一步地,运用计算机优化拟和技术,将新模型与传统的球面模型进行解剖匹配度的对照分析,验证新模型的解剖精度。
本课题通过对25例人体髋臼标本的研究,获得了软骨关节面的曲面形态特征,即该曲面上任意点的曲率,包括高斯曲率和平均曲率,确定了软骨关节面的曲面类型;突破传统髋臼模型框架,首次构建了基于髋臼软骨解剖形态统计规律的新型参数化曲面模型—旋转椭球面模型;统计学分析结果表明,新模型对髋臼软骨关节面的解剖匹配度显著高于传统的球面模型(P<0.001)。
本课题研究成果修正了传统的对髋臼软骨关节面粗糙的解剖认识,建立的新模型因更符合人体解剖学特征,从而为实现更精确的髋关节仿真研究以及开发新型仿生假体提供重要的参考。