爱华网中国组织工程研究 第21卷 第7期 2017–03–08出版
Chinese Journal of Tissue Engineering Research March 8, 2017 Vol.21, No.7
www.
CRTER.org
中日友好医院分型的L型股骨头坏死仿真三维模型建立
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)
·研究原著·
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引用本文：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.
DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.017 ORCID: 0000-0002-0595-6154(欧志学)
文章快速阅读：
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。 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
主题词：
股骨头坏死；成像, 三维；组织工程
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 (1
Guangxi 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)
1074
P.O. Box 10002, Shenyang 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。
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
中图分类号:R318 文献标识码:B 文章编号:2095-4344 (2017)07-01074-06 稿件接受： 2017-01-14
Ling Guan-han, Studying for master’s degree, Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang
Autonomous Region, China
Corresponding author: Ou Zhi-xue, M.D., Associate chief physician, Ruikang Hospital Affiliated to Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530000, Guangxi Zhuang
Autonomous Region, China
www.CRTER.org 110180
凌观汉，等. 中日友好医院分型的L型股骨头坏死仿真三维模型建立 www.
CRTER.org
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. Subject headings: Femur Head Necrosis; Imaging, Three-Dimensional; Tissue Engineering
Funding: 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
Cite this article: Ling GH, Ou ZX, Yao L, Wen LC, Wang GX, Lin HF. Establishment of simulating three-dimensional model of China-Japan Friendship Hospital Classification for L type osteonecrosis of the femoral head. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2017;21(7):1074-1079.
0 引言 Introduction
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。
ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH
1 对象和方法 Subjects and methods
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。
1075
凌观汉，等. 中日友好医院分型的L型股骨头坏死仿真三维模型建立 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)、
1076
www.
CRTER.org
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。
P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org
凌观汉，等. 中日友好医院分型的L型股骨头坏死仿真三维模型建立 www.
CRTER
.org
图1 股骨、股骨松质骨(包括股骨髓腔)、髂骨和髂骨松质骨三维表面模型
Figure 1 Three-dimensional surface models of femur, cancellous bone of femur (including femoral cavity), iliac bone and cancellous bone of iliac bone 图注：图中 A为冠状位编辑蒙板股骨与髂骨；B为横切位编辑蒙板股骨与髂骨；C为矢状位编辑蒙板股骨与髂骨；D为股骨、股骨松质骨(包括股骨髓腔)、髂骨和髂骨松质骨三维表面模型。
A
B
A
B
图2 实体骨质的三维模型
Figure 2 Three-dimensional solid models of bones 图注：图中A为股骨、髂骨三维实体模型，B为股骨松质骨(包括股骨髓腔)、髂骨松质骨三维实体 模型。
图3 皮质骨的三维实体模型 Figure 3 Three-dimensional solid models of the cortical bone 图注：图中A为股骨皮质骨，B为髂骨皮质骨。
A
图4 股骨松质骨三维实体模型
Figure 4 Three-dimensional solid models of the cancellous bone
图注：图中A为切除股骨髓腔模型，B为股骨松质骨三维实体模型。
图5 正常髋关节骨性结构完整三维模型 Figure 5
Three-dimensional model of normal hip joint with complete structures
图注：图中A为L1型坏死右髋MRI冠状正中层面；B为L2型坏死右髋MRI冠状正中层面；C为L3型坏死右髋MRI冠状正中层面。
图6 L1、L2、L3型坏死右髋MRI冠状面图
Figure 6 MRI coronal planes of types L1, L2, and L3 osteonecrosis of the femoral head
B
C
A
图 7 L1、L2、L3型坏死区骨质三维模型
Figure 7 Three-dimensional models of the necrotic zone of L1, L2
and L3 types
图注：图中A为L1型的坏死区骨质三维模型；B为L2型的坏死区骨质三维模型；C为L3
型的坏死区骨质三维模型。
图8 L1、L2、L3型的坏死区与股骨松质骨匹配剖面图
Figure 8 Sectional drawings necrotic area of types L1, L2, L3 matching with the femoral cancellous bone
图注：图中A为L1型的坏死区与股骨松质骨匹配剖面；B为L2型的坏死区与股骨松质骨匹配剖面；C为L3型的坏死区与股骨松质骨匹配剖面。
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。
建立：运用Abaqus6.14软件将肌肉、关节韧带、软骨三维模型与L1、L2、L3型坏死的髋关节三维模型匹配融合，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，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、关节囊及韧带等三维模型(图12)，
1077
2 结果 Results
基于中日友好医院分型的股骨头坏死三维仿真模型的
ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH
百度搜索“爱华网”,专业资料、生活学习,尽在爱华网!
