计算机辅助虚拟骨科手术系统髋关节个体化精确建模方法研究

计算机辅助虚拟手术技术的研究目前已被广泛关注，将该技术应用于髋关节治疗中是一件有意义的工作，本申请从提高建模精确性、专门性和实用性角度探讨了虚拟髋关节体数据集获取方法、髋关节几何建模、髋关节生物力学建模、髋关节生物力学参数确定、髋关节有限元数值模拟方法、髋关节建模精确性评价等几个方面的问题。基于个体化的建模目标提出了利用个体化几何建模、个体化生物力学参数建模生物组织的研究方法。基于精确建模的要求，提出了多层次建模、基于分割的三维重建算法、建立可获取参数与生物力学方程参数之间内在联系及个体化参数赋值方式的研究方法并提出模型验证的量化评价体系。研究的目的是建立具有生物力学特性个体化精确虚拟髋关节模型，该模型能够在无创伤的前提下，为外科手术和诊断提供可靠信息，针对不同患者进行个体化病情分析、手术方案规划或预演、手术效果评测等，给医生带来更大自信，最大限度减少患者痛苦，提高手术安全性和精确性。

在我国，关节疾病病人有1亿以上，而且各类关节疾病中髋关节疾病患病率最高，治愈难度最大。髋关节的各种手术如骨折内固定术、髋关节置换术，虽然为很多患者解除了病痛，但也面临手术很难一次性成功的尴尬。虚拟手术可以帮助医生利用图像数据，合理、定量地制定手术方案，这对于选择最佳手术路径和提高手术成功率具有十分重要的意义。在虚拟手术系统中，建立生物组织仿真模型是决定该系统临床应用价值的关键环节，因此本研究定位于：开展计算机辅助虚拟骨科手术系统髋关节个体化精确建模方法研究。主要研究内容包括：(1) 建立个体化精确髋关节几何模型方法的研究。这项工作主要包括获取医学体数据集的方法研究，建立生物组织体模型方法研究，探寻影响几何建模精确性的因素，找到提高几何建模精确性方法。(2) 建立个体化髋关节生物力学模型和实现模型计算。完成针对骨、软骨、肌肉、肌腱等组织特性的分析并建立生物力学本构方程，尤其是进行包括弹性模型、非线性模型、各项异性模型、粘弹性模型等多种生物力学模型的研究，进行复杂生物体几何结构力学参数赋值方法的研究，实现生物力学模型有限元计算。(3) 实现对本研究方法建立的仿真模型的正确性验证。(4) 个体化髋关节模型在股骨颈骨折内固定方式优选、股骨假体优选中的应用。重要结果包括：(1) 提出了多层次建模人体组织研究思路。在对生物组织生物力学特性分析基础上，针对人体复杂的生理结构，提出了建立多结构、多层次、多种材料共存的人体模型。(2) 综合利用CT和MRI医学体数据获取手段，基于三维医学图像表面重建算法，将图像分割与MC算法结合，实现采用适合的分割方法对不同组织的准确分割。解决了骨、软骨、肌肉等软组织的个体化几何重建问题。(3) 该系统实现了在无创伤的前提下，利用患者可测量参数与生物力学参数关系，确定关节骨生物力学参数值，建立了个体化精确髋关节骨生物力学模型。科学意义主要体现在：通过自主研发的形式解决了人体组织几何模型和生物力学模型的构建以及组织间的连接和仿真分析等问题，为进一步实现面向临床应用的虚拟手术系统奠定了理论基础和计算程序实现方法的技术储备。