中日友好医院分型的L型股骨头坏死仿真三维模型建立

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.017

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (7): 1074-1079.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.017

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中日友好医院分型的L型股骨头坏死仿真三维模型建立

凌观汉¹，欧志学²，姚兰¹，文立春¹，汪国翔²，林衡锋³

¹广西中医药大学，广西壮族自治区南宁市 530000；²广西中医药大学附属瑞康医院，广西壮族自治区南宁市 530000；³玉林市中西医骨科医院，广西壮族自治区玉林市 537000

修回日期:2017-01-14 出版日期:2017-03-08 发布日期:2017-04-11
通讯作者: 欧志学，博士，副主任医师，广西中医药大学附属瑞康医院，广西壮族自治区南宁市 530000
作者简介:凌观汉，男，1987年生，汉族，广西中医药大学在读硕士，主要从事股骨头坏死方面的研究。
基金资助:
广西中医药大学2016年硕士研究生科研创新项目(YJS201645)；广西壮族自治区卫生厅科研课题(Z2014556)

Establishment of simulating three-dimensional model of China-Japan Friendship Hospital Classification for L type osteonecrosis of the femoral head

Ling Guan-han¹, Ou Zhi-xue², Yao Lan¹, Wen Li-chun¹, Wang Guo-xiang², Lin Heng-feng³

¹Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; ²Ruikang Hospital Affiliated to Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; ³Yulin Orthopedics Hospital of Chinese and Western Medicine, Yulin 537000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China

Revised:2017-01-14 Online:2017-03-08 Published:2017-04-11
Contact: Ou Zhi-xue, M.D., Associate chief physician, Ruikang Hospital Affiliated to Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
About author:Ling Guan-han, Studying for master’s degree, Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
Supported by:
the Research Innovation Project for the Postgraduate of Guangxi University of Chinese Medicine in 2016, No. YJS201645; the Research Project of the Health Department of Guangxi Zhuang Autonomous Region, No. Z2014556

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

股骨头坏死的中日友好医院分型：中日友好医院的李子荣教授等以股骨头三柱结构为基础，以坏死灶占据的三柱结构情况，并吸取了JIC法与Koo法的优点，选用MRI或CT扫描冠状位正中层面进行分型，分为：M型(内侧型)、C型(中央型)、L型(外侧型)三大型，其中L型分3个亚型：L1型(次外侧型)、L2型(极外侧型)、L3型(全头型)。

股骨头坏死三维模型的建立：利用CT和MRI影像资料，运用三维重建技术，建立基于中日友好医院分型的股骨头坏死髋关节三维立体模型，高度仿真模拟髋关节各种结构关系，为生物力学有限元分析及手术模拟提供基础。

摘要

背景：研究报道股骨头前外侧柱的完整性和稳定性与股骨头坏死预后和保髋疗效呈正相关，中日友好医院分型强调前外侧柱的存留对维持股骨头不塌陷极其重要，目前此分型的三维数字化模型建立研究不多。

目的：探讨基于中日友好医院分型的股骨头坏死高度仿真三维模型的获取方法。

方法：基于正常股骨头患者的CT图像和股骨头坏死患者的MRI图像，采用三维重建技术对正常股骨头及坏死股骨头逆向重建。选择1名健康成年男性志愿者获取CT图像，并选择L1、L2、L3三型的右侧股骨头坏死患者各1例获取MRI图像，采用Mimics 15.0、Geomagic Studio 13、Geomagic Design X、Solidworks 2014、Abauqus6.14软件基于CT和MRI图像建立三维实体模型。

结果与结论：建立了基于中日友好医院分型中L型的股骨头坏死高度仿真三维模型，包括髂骨和股骨近端的皮质骨和松质骨、关节软骨、股骨头坏死区、肌肉、关节囊及韧带等部分，可很好重建L型股骨头坏死的结构，可为治疗L型股骨头坏死提供虚拟手术方案，分析应用不同手术方案的生物力学比较，进而选择合适手术措施及方案，提高保髋的成功率。该高度仿真模型的建立，为生物力学分析和手术模拟提供了理想的研究基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0002-0595-6154(欧志学)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 计算机技术, 股骨头坏死, 三维重建, 成像, 仿真, 生物力学, 中日友好医院分型

Abstract:

BACKGROUND: Anterior and lateral columns of the femoral head integrity and stability have been reported to present a positive correlation with the prognosis of the osteonecrosis of the femoral head (ONFH) and efficacy of hip preserving. China-Japan Friendship Hospital Classification stressed that the retention of the anterior and lateral columns of the femoral head was of great importance to avoid the femoral head collapse, but there is little reported on its three-dimensional (3D) digital model.

OBJECTIVE: To explore the method of establishing highly-simulated 3D model of China-Japan Friendship Hospital Classification for ONFH.

METHODS: 3D reconstruction of normal and necrotic femoral head was established according to the CT and MRI of individuals with normal femoral head. A healthy adult male volunteer was selected and his CT image was collected; three adult male patients with types L1, L2 and L3 ONFH were selected, whose MRI images were obtained, respectively. 3D solid models were established based on CT and MRI data on Mimics 15.0, Geomagic Studio 13, Geomagic Design X, Solidworks2014 and Abauqus6.14 software.

RESULTS AND CONCLUSION: A highly-simulated 3D model of L type ONFH was established, including the cortical and cancellous bones of ilium and proximal femur, articular cartilage, necrotic articular cartilage, muscles, joint capsule and ligaments. It clearly showed the spatial structures of L type ONFH, by which different surgical programs could be compared in a virtual environment for selecting an appropriate treatment strategy to improve the success rate of hip preserving. The highly-simulated 3D model paves ways for surgical simulation and biomechanical analysis.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Femur Head Necrosis, Imaging, Three-Dimensional, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

凌观汉，欧志学，姚兰，文立春，汪国翔，林衡锋. 中日友好医院分型的L型股骨头坏死仿真三维模型建立[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(7): 1074-1079.

Ling Guan-han, Ou Zhi-xue, Yao Lan, Wen Li-chun, Wang Guo-xiang, Lin Heng-feng. Establishment of simulating three-dimensional model of China-Japan Friendship Hospital Classification for L type osteonecrosis of the femoral head[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(7): 1074-1079.

图/表（结果） 1

参考文献

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引言

研究报道股骨头前外侧柱的完整性和稳定性与股骨头坏死预后和保髋疗效呈正相关，也就是股骨头前外侧柱越完整越稳定，预后和保髋疗效就越好^[1]。股骨头坏死的中日友好医院分型(China-Japan Friendship Hospital Classification for ONFH，CJFH Classification for ONFH)是中日友好医院的李子荣教授等^[2-3]以股骨头三柱结构为基础，以坏死灶占据的三柱结构情况，并吸取了JIC法与Koo法的优点，选用MRI或CT扫描冠状位正中层面进行分型，具体分为：⑴M型(内侧型)：坏死灶占据内侧柱，中央和外侧柱存留。⑵C型(中央型)：坏死灶占据中央柱和内侧柱，外侧柱存留。此型中可见部分患者的坏死灶仅占据内侧柱的一部分，而另一部分内侧柱可存留。⑶L型(外侧型)：坏死占据内、中、外三柱，但有不同清况，可分为3个亚型：①L1型(次外侧型)：坏死占据三柱，但外侧柱部分存留，至少应有皮质存留；②L2型(极外侧型)：坏死灶仅占据外侧柱或另加一部分中央柱，中央柱另一部分和内侧柱全部存留；③L3型(全头型)：坏死带穿透整个股骨头的外、中、内三柱的皮质及骨髓。中日友好医院分型强调外侧柱存留对维持股骨头不塌陷的重要性^[2]，每一型的股骨头坏死的治疗措施各不一样，其中L1型外侧柱有存留，而L2与L3型外侧柱已有坏死病灶。M型和C型坏死的预后均较好，而L型坏死的预后预测需研究，外侧柱存留的宽度与塌陷的关系尚未解决^[2]，所以建立中日友好医院分型中L型股骨头坏死的三维高度仿真模型，为下一步在虚拟环境下的手术模拟及有限元生物力学研究提供基础，从而对L型的手术方案进行比较，选择合适治疗措施，提供外侧柱存留的宽度预测塌陷风险的依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 仿真三维模型建立实验。

1.2 时间和地点 试验于2015年9月至2016年10月在广西中医药大学生物力学实验室完成。

1.3 对象 选取符合股骨头坏死的中日友好医院分型中L1、L2、L3三型的右侧股骨头坏死患者各1例^[2]，髋部无创伤、先天畸形、骨性关节炎、肿瘤等疾病，行MRI薄层扫描；选取1名健康成年男性志愿者，年龄30岁，身高170 cm，体质量60 kg，其否认腰背部、双髋关节及双侧下肢病史、外伤手术史、疼痛史、异常活动史及遗传病史，行CT薄层扫描。所有对象已经签署知情同意书。

1.4 方法

1.4.1 影像资料获取

CT影像资料的获取：摄取包含髂嵴最高点上缘1 cm至小转子下12 cm区间的实际大小。扫描参数：层厚0.5 mm，层距5 mm，每一层分辨率为1 024×1 024像素，获得二维断层图像。

MRI影像资料的获取：摄取包含髋臼上缘1 cm至小转子下2 cm区间的实际大小。扫描参数：冠状位层厚1 mm，层距5 mm，每一层为1 024×1 024像素，获得L1、L2、L3三型各所需二维断层图像。

CT与MRI生成的图像文件保存为DICOM格式，通过移动硬盘拷贝至计算机工作站。

1.4.2 基于CT的正常髋关节骨性结构三维重建因CT对骨性结构显示良好^[4]，所以基于患者的CT影像资料，利用Mimics 15.0(比利时Materialise公司)等软件重建髋关节的三维结构，包括髂骨、髂骨松质骨、股骨、股骨松质骨等部分，并将各结构装配成完整的股骨头正常髋关节。

骨外壳的三维重建：将DICOM格式的CT数据导入到Mimics15.0，通过阈值分割(Thresholding)、区域增长(Region growing)、编辑蒙板(Edit Masks)等命令对蒙板进行补洞和修缘，以显示各层骨性结构内部的真实状况，采用计算3D模型功能(calculate 3D)分别重建髋关节各部分的骨外壳的三维表面模型(图1)，包括髂骨、髂骨松质骨、股骨和股骨松质骨(包括股骨髓腔)等模型，然后利用光顺(Smoothing)、三角面片缩减(Triangle reduction)和包裹(Wrap)等命令对表面模型进行优化处理。实体骨质三维模型的建立：将优化处理后的髋关节各部分的骨性结构三维表面模型导出为.stl格式文件，并导入Geomagic Studio 13软件(美国Raindrop公司)中，运用多边形菜单下的去除特征、网格医生、松弛及快速光顺等命令对三维表面模型进行光滑处理，再运用精确曲面菜单下编辑轮廓线、构造曲面片、移动面板、构造栅格及拟合曲面等命令将表面模型转化格式为.igs的实体的三维模型，包括髂骨、髂骨松质骨、股骨和股骨松质骨(包括股骨髓腔)等实体模型(图2)。皮质骨三维实体模型建立：将格式为.igs髂骨、髂骨松质骨、股骨和股骨松质骨(包括股骨髓腔)的实体模型导入到Geomagic Design X软件(美国3D Systems公司)中，通过“插入-实体-布尔运算”命令得出髂骨皮质骨及股骨皮质骨(图3)。股骨松质骨三维实体模型建立：用CT数据在Mimics软件做出需要切除股骨松质骨的股骨部，经过Geomagic Studio软件处理成实体模型，把股骨松质骨(包括股骨髓腔)与需要切除股骨部分以.igs格式导入Geomagic Design X软件中，经过布尔运算得出股骨松质骨(图4)。正常髋关节骨性结构完整三维模型建立：将髂骨皮质骨、髂骨松质骨、股骨松质骨、股骨皮质骨以.igs格式导入到Abaqus6.14软件(美国Abaqus公司)中，在属性模块下，先创建材料，操作“力学-弹性-弹性”赋予材料属性，即弹性模量及泊松比^[5-9]，其中股骨皮质骨弹性模量为 15 100、泊松比为0.3，髂骨皮质骨弹性模量为15 100、泊松比为0.3，股骨松质骨弹性模量为445、泊松比为0.22，髂骨松质骨弹性模量为445、泊松比为0.22，然后创建截面再指派截面；运用装配模块，先创建实例，然后合并/切割实例下进行布尔运算，将髂骨松质和髂骨皮质骨进行匹配合并，股骨松质骨和股骨皮质骨匹配合并，操作为“合并-几何”，从而建立含有松质骨和皮质骨两种材质的完整髋关节骨性结构三维模型(图5)。

1.4.3 坏死髋关节的骨性结构三维重建因为MRI影像资料对坏死骨组织的分辨较高，可以真实地反映坏死区的分布与形态，所以基于患者的MRI影像资料，利用Mimics 15.0等软件重建坏死区的三维结构，并将坏死区和正常髋关节骨性结构三维模型匹配成完整的坏死髋关节骨性结构三维模型。

基于MRI的坏死区骨外壳的三维重建：将MRI数据导入到Mimics15.0中(图6)，通过阈值分割(Thresholding)、区域增长( Region growing)、编辑蒙板(Edit Masks)等命令对蒙板进行补洞和修缘，以显示各层骨性结构内部的真实状况，采用计算3D模型功能(calculate 3D)分别重建股骨及坏死区的骨外壳的三维表面模型，然后利用光顺(Smoothing)、三角面片缩减(Triangle reduction)和包裹(Wrap)等命令对表面模型进行优化处理。

坏死区骨质三维模型的建立：将优化处理后的股骨及坏死区的骨性结构三维表面模型导出为.stl格式文件，并导入Geomagic Studio 13软件中，并将基于CT数据重建的正常股骨模型导入，运用对齐菜单下的手动注册、全局注册命令将基于MRI数据重建的股骨、股骨头坏死区与正常股骨匹配，得到股骨头坏死区的坐标与CT股骨坐标一致，对改变坐标的坏死区运用多边形菜单下的去除特征、网格医生、松弛、快速光顺、减少噪音、删除钉状物、砂纸、优化网格及重划网格等命令对三维表面模型进行光滑处理，再运用精确曲面菜单下探测轮廓线、编辑轮廓线、构造曲面片、构造栅格及拟合曲面等命令将股骨头坏死区表面模型转化为实体的三维模型(图7)。坏死髋关节的骨性结构三维模型建立：将股骨头坏死区的三维模型导入到Abaqus6.14软件中，赋予坏死区材料属性后，坏死骨弹性模量为125、泊松比为0.15^[5-9]，先与股骨松质骨进行匹配(图8)，进而与正常髋关节的骨性结构三维模型匹配，从而建立完整坏死髋关节的骨性结构三维模型。

1.4.4 肌肉、关节囊及韧带、软骨三维模型的建立

关节囊及韧带三维模型的建立：先运用Geomagic Design X软件中的“3D草图-绘制线”，建立髋关节的关节囊及韧带直线(图9A)，即可得到相同坐标系的韧带直线，另存为.igs格式，然后导入到Abaqus6.14软件中，运用桁架杆单元(TRUSS Unit)，模拟髋关节的被动约束，赋予材料属性，关节囊与韧带弹性模量为12.4、泊松比为0.4^[5-9]，建立等效的关节囊及韧带三维模型(图9B)。

软骨三维模型的建立：基于股骨头、髋臼软骨的厚度及关节间隙，运用Solidworks 2014(美国Dassault Systemes S.A公司)。软件在零件模块下，操作为“插入-曲面-等距曲面”，并选择合适的等距距离，建立股骨头软骨、髋臼软骨，保存.igs格式导入到Abaqus软件中赋予材料属性(软骨弹性模量为10.5、泊松比为0.45^[5-9])及软骨厚度，即得软骨三维模型(图10)。肌肉三维模型的建立：运用Abaqus6.14软件中轴向联结器来进行建模和模拟，在相互作用模块下“创建线条特征”，对股骨远端和胫腓骨上的止点需要“创建参考点”，即能创建相应肌肉模拟线，然后在“创建连接截面”中的“基本信息-平移类型-轴向”进行肌肉建模，主要建立髋关节周围7条肌肉^[10]，即长收肌、大收肌、臀大肌、臀中肌、梨状肌、阔筋膜张肌(图11)。
1.5 结局观察指标

主要结局指标：中日友好医院分型的L型股骨头坏死三维仿真模型的建立数据。
次要结局指标：肌肉、软骨、关节囊及韧带三种软组织的坏死的髋关节三维模型的建立数据。

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讨论

股骨头坏死是好发于30-50岁中青年的难治性疾病，与激素应用、酗酒和创伤等多种因素有关^[11]。股骨头坏死后期发生髋关节功能障碍，严重影响中青年患者的健康^[12]。人工全髋关节置换是公认治疗髋关节病痛的有效方法^[13]，但远期面临翻修的现实。因此，在股骨头坏死的早期阶段，保髋具有很高的临床和社会价值^[14-15]。生物学修复与力学支撑的相结合为目前保髓手术治疗的最佳选择，如髓芯减压结合钽棒、腓骨植入及复合打压植骨等在临床也较多应用^[16-25]，取得了一定疗效。

有文献报道，在治疗股骨近端疾病时，置入物除了在确保强度的基础上，置入体与骨弹性模量的匹配，成为术后影响效果重要指标^[26-28]。因为只有置入物的弹性模量相当于骨的弹性模量时，应力才在正常生理范围内，骨组织的吸收和成骨保持相对平衡，不致于发生骨吸收或骨折。

预防、纠正塌陷以及防止和纠正再塌陷能否成功，是直接关系保髋治疗近期和远期疗效的重要因素。有研究显示股骨头前外侧柱的完整性和稳定性与股骨头坏死预后和保髋疗效呈正相关，也就是股骨头前外侧柱越完整越稳定，预后和保髋疗效就越好^[1]。因此，保髋手术要围绕着修复股骨头前外侧柱的完整性并尽可能维持其稳定性、防止和纠正发生严重的再塌陷这个核心进行，也就是要进行前外侧柱的生物力学重建和促进坏死病灶的生物学修复。

作者利用CT对骨性结构显示良好重建髋关节的三维结构，利用MRI影像资料对坏死骨组织的分辨较高，重建坏死区的三维结构，再通过匹配技术对股骨头坏死区与正常股骨头进行匹配融合，达到坏死区与股骨松质骨的匹配及坐标系的改变。

现在研究报道的三维模型都较少有重建关节囊及韧带、软骨、肌肉等三维模型，而重建方法基于CT影像资料或MRI影像资料，单一方法对软骨重建及坏死区都极难一起重建，降低了后期生物力学分析、虚拟手术设计等准确性。试验同时基于CT和MRI影像资料进行三维模型重建，而关节软骨可较好地耐受压缩载荷，韧带可抵抗关节的载荷，肌肉起到犹如杠杆装置作用^[29]，因此同时重建关节囊及韧带、软骨、肌肉，更加仿真模拟人体髋关节生物力学实验。目前研究未有对基于中日友好医院分型的股骨头坏死的三维模型建立，为下一步研究该分型的有限元模型建立基础，并利用该三维模型进行手术设计的有限元分析做准备，为模型的二次使用提供前期基础。

中日友好医院分型在临床上较好预测股骨头塌陷及保髋手术疗效判断，此分型强调外侧柱存留对维持股骨头不塌陷的重要性^[2]，其中L型(外侧型)手术干预最为合适，但L型又分为3个亚型，仅L1型保留部分外侧柱，而L2、L3型外侧柱都未存留。作者建立了基于中日友好医院分型的股骨头坏死中L型三种个体三维模型，可清晰显示坏死区的结构，在虚拟环境中应用不同手术方案进行比较，选择合适的手术方式，提高手术的成功率。该模型网格划分后形成有限元模型可以导入Abaqus软件中附加力学加载与边界条件设置，再而进行有限元生物力学分析，对各种手术方案进行定量比较，对坏死股骨头塌陷进行预测，对指导临床有一定意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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