3D打印个体化股骨短柄的优化设计及临床前研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    81772425
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    55.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    H0611.运动系统疾病研究新技术与新方法
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Total hip arthroplasty (THA) is the golden standard in the treatment of end-stage degenerative joint disease of the hip. From cemented stem to uncemented femoral stem, especially the advent of the recently hot-debated short stem, adult reconstruction surgeons are pursuing the preservation of proximal femoral bone stock and fully restoration of hip function, rather than just long-term fixation. Short stem femoral component can effectively preserve adjacent bone stock, reduce incidence of thigh pain, optimize stress distribution, avoid proximal-distal mismatch, facilitate minimally invasive surgeries and potential hip revision surgeries. However, stem shortening may induce malposition and unstable fixation that leads to early implant loosening. Three-dimensional anatomical study regarding proximal femurs and medullary canals among Chinese will be performed to identify the modular and patient-specific factors for the design of patient-specific short stem. Along with electron beam melting technology, a custom-designed software, integrating measurement and stem design functions, will be developed to accelerate the overall manufacturing processes of patient-specific short stem. Finally, an optimized protocol regarding the design and manufacture of patient-specific short stem can be determined by evaluating fit and fill, initial stability and stress distribution of femoral stems with varying lengths and designs, and by comparing the distribution of internal defects and fatigue property of stems produced by different manufacturing and post-processing techniques. The research and development of patient-specific short stem can potentially improve fit and fill between the stem and proximal femoral medullary canal, avoid stem malposition, and provide more favorable initial stability and more physiological stress distribution, which can secure long term fixation. In addition, the current study can also provide preliminary data for the research and development of over-the-shelf short stem with high quality for Chinese patients.
人工全髋关节置换术是治疗终末期髋关节疾患的金标准。从骨水泥柄到非骨水泥柄,直至近期热点短柄,关节外科不仅追求假体的长期生存,也追求骨量保护及患髋功能优化。短柄可充分保留骨量,缓解大腿痛,优化应力传递,避免假体远近段不匹配,便于施行微创手术及未来翻修,但其初始稳定性相对下降,且易出现位置不良,长期存留存在隐患。本研究通过股骨及髓腔三维测量,明确个体化短柄设计的个体化及模块化要素;自主研发测量、设计一体化专科软件,联合电子束熔融金属3D打印技术,优化设计及制造流程;系统评估不同柄长及形态股骨柄的匹配填充、初始稳定、应力传递情况,对比设计、加工及热处理技术对股骨柄内部缺陷分布及疲劳性能的影响,最终确定个体化短柄设计、制造的优选方案。个体化短柄通过优化对髓腔的匹配和填充,避免位置不良,提高初始稳定性,优化应力传递,保证假体长期生存,有望为进一步研发适合中国人群的高性能常规短柄假体提供数据支持。

结项摘要

人工全髋关节置换术是治疗终末期髋关节疾患的金标准。从骨水泥柄到非骨水泥柄,直至近期热点短柄,关节外科不仅追求假体的长期生存,也追求骨量保护及患髋功能优化。短柄可充分保留骨量,缓解大腿痛,优化应力传递,避免假体远近段不匹配,便于施行微创手术及未来翻修,但其初始稳定性相对下降,且易出现位置不良,长期存留存在隐患。本研究通过股骨及髓腔三维测量,明确个体化短柄设计的个体化及模块化要素;自主研发测量、设计一体化专科软件,联合电子束熔融金属3D打印技术,优化设计及制造流程;系统评估不同柄长及形态股骨柄的匹配填充、初始稳定、应力传递情况,对比设计、加工及热处理技术对股骨柄内部缺陷分布及疲劳性能的影响,最终确定个体化短柄设计、制造的优选方案。本项目聚焦个体化股骨短柄的设计,自主完成辅助股骨侧重建的图像分割、测量及规划的一体化软件系统的研发;涵盖股骨近段三维解剖轮廓及内部有效髓腔的分析,挖掘个体化股骨短柄的设计要点,不仅需要保证个体化股骨短柄与股骨近端髓腔的形似,达到完美匹配,还需要保证股骨颈前倾角、偏心距、颈干角及股骨头高度与个体局部解剖结构的完美复现;同时,通过摸索3D金属打印的工艺及后处理,改善股骨短柄机械性能,突破疲劳性能不佳这一瓶颈。截止目前,发表论文9篇,其中SCI论文7篇,授权发明专利2项,授权实用新型专利2项,软件著作权3项,获奖2项,转化成果1项,转化金额110万。上述成果不仅有助于改良个体化股骨柄的设计,优化股骨柄与个体髓腔的匹配,有助于完美复制个体的髋关节生物力学环境;一个准确规划安装的股骨柄是髋关节联合规划的核心要素之一,是实践联合前倾角理论中股骨优先原则的先决条件,也是实现真正的个体化规划的前提。个体化短柄通过优化对髓腔的匹配和填充,避免位置不良,提高初始稳定性,优化应力传递,保证假体长期生存,有望为进一步研发适合中国人群的高性能常规短柄假体提供数据支持。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Fatigue properties of titanium alloy custom short stems fabricated by electron beam melting
电子束熔炼钛合金定制短杆的疲劳性能
  • DOI:
    10.1016/j.jmst.2020.02.047
  • 发表时间:
    2020-09
  • 期刊:
    Journal of Materials Science & Technology
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Wang Liao;Li Shujun;Yan Mengning;Cheng Yubo;Hou Wentao;Wang Yiping;Ai Songtao;Yang Rui;Dai Kerong
  • 通讯作者:
    Dai Kerong
HKA Angle-A Reliable Planning Parameter for High Tibial Osteotomy: A Theoretical Analysis Using Standing Whole-Leg Radiographs
HKA 角度——胫骨高位截骨术的可靠规划参数:利用站立全腿 X 光片进行理论分析
  • DOI:
    10.1055/s-0040-1712945
  • 发表时间:
    2022-01-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF KNEE SURGERY
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Jiang, Xu;Xie, Kai;Yan, Mengning
  • 通讯作者:
    Yan, Mengning
An approach to automated measuring morphological parameters of proximal femora on three-dimensional models
三维模型上股骨近端形态参数自动测量方法
  • DOI:
    10.1007/s11548-019-02095-w
  • 发表时间:
    2020-01-01
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF COMPUTER ASSISTED RADIOLOGY AND SURGERY
  • 影响因子:
    3
  • 作者:
    Hu,Junlei;Xu,Liyu;Chen,Xiaojun
  • 通讯作者:
    Chen,Xiaojun
The severity of developmental dysplasia of the hip does not correlate with the abnormality in pelvic incidence.
髋关节发育不良的严重程度与骨盆发病率异常无关
  • DOI:
    10.1186/s12891-020-03632-4
  • 发表时间:
    2020-09-21
  • 期刊:
    BMC musculoskeletal disorders
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Cheng R;Huang M;Kernkamp WA;Li H;Zhu Z;Wang L;Tsai TY
  • 通讯作者:
    Tsai TY
Relations between the Crowe classification and the 3D femoral head displacement in patients with developmental dysplasia of the hip
发育性髋关节发育不良患者的 Crowe 分类与 3D 股骨头位移之间的关系。
  • DOI:
    10.1186/s12891-019-2838-z
  • 发表时间:
    2019-11-11
  • 期刊:
    BMC MUSCULOSKELETAL DISORDERS
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Cheng, Rongshan;Zhang, Henghui;Tsai, Tsung-Yuan
  • 通讯作者:
    Tsai, Tsung-Yuan

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其他文献

成都地区骨质疏松症患者骨密度与Ⅰ型胶原α_1链基因Sp1结合位点多态性的相关性研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
    中国骨质疏松杂志
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  • 作者:
    裴福兴;沈彬;牟健雄;王燎;李勇
  • 通讯作者:
    李勇
股骨近端解剖参数的自动化三维测量
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    医用生物力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    汪轶平;张恒辉;王燎;陈晓军
  • 通讯作者:
    陈晓军
骨科个体化治疗与3D打印技术
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    医用生物力学
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    戴尅戎
基于情景分析的面向对象分析设计
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
    计算机应用.2004,24(9):119-122.
  • 影响因子:
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  • 作者:
    常涛;黄京华;王燎
  • 通讯作者:
    王燎
数字化技术辅助的中国人髋臼朝向三维测量
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    上海交通大学学报(医学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈晓军;戴尅戎;王燎;艾松涛
  • 通讯作者:
    艾松涛

其他文献

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王燎的其他基金

人工全髋关节置换术假体位置参数的计算机辅助优化及临床应用
  • 批准号:
    81201412
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    23.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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