本课题分为以下三部分：第一部分基于MRI技术的下肢骨骼三维重建[目的]探讨基于下肢髋关节、膝关节、踝关节三段式MRI数据行下肢骨骼三维重建的可行性,为全膝关节置换术前规划提供新的建模方法。[方法]招募成人健康志愿者30名,男、女各15名,年龄22-27岁,平均24.5岁。行双下肢髋-膝-踝三段式MRI断层扫描,将数据导入三维重建软件Simpleware6.0中完成下肢骨性结构及膝关节软骨的三维重建,观察重建后的骨骼整体轮廓及解剖标志,数据以“STL"格式保存。利用逆向工程软件Geomagic11.0、Imageware13.0点云拟合、数据运算等功能,确定股骨头中心、膝关节中心、胫骨平台中心及踝关节中心,建立股骨机械轴线与胫骨机械轴线,拟合下肢的三维几何模型。分别测量冠状位和矢状位下股骨机械轴线和胫骨机械轴线间的夹角--髋-膝-踝(hip-knee-ankle, HKA)角,对测得参数进行统计学分析,比较不同性别、侧别间HKA角度的关系,以此评价重建后的下肢三维空间位置的准确性。[结果]重建后的股骨头、膝关节及胫腓骨下段骨骼轮廓清晰,局部解剖标志清楚。在计算机软件中冠状位下测量HKA:男性左侧平均角度为179.1°±2.2°,右侧为179.2°±2.3°；女性左侧平均角度为177.6°±2.4°,右侧为177.8°±2.2°。矢状位下测量HKA:男性左侧平均角度为179.5°±2.3°,右侧为179.6°±2.3°；女性左侧平均角度为178.2°±2.5°,右侧为178.2°±2.3°。志愿者男、女性及左、右侧下肢机械轴线的夹角之间差异比较均无统计学意义(p>0.05)[结论]基于下肢髋-膝-踝三段式MRI扫描数据通过Simpleware6.0、 Geomagic11.0及Imageware13.0等软件可准确的行下肢骨骼三维重建及建立股骨机械轴线与胫骨机械轴线,骨骼轮廓清晰,解剖标志清楚,下肢骨骼整体空间位置准确,并能方便的从任意角度、方向对骨骼3D模型进行旋转、缩放等操作。第二部分个体化导航模板在全膝关节置换中的尸体实验研究[目的]设计制作个体化导航模板辅助全膝关节置换,通过尸体标本实验比较利用模板与传统工具进行截骨的精确性、股骨远端假体旋转轴线定位及假体组件位置的准确性。[方法]选取保存完好的成年尸体下肢标本16具,男10具,女6具,年龄46-60岁,平均年龄55岁,将尸体标本随机分为导航模板组(模板组)和传统手术组(传统组),每组8具16个膝关节。模板组术前行双下肢髋-膝-踝MRI扫描,通过三维重建软件、计算机辅助设计及逆向工程软件对数据进行处理,设计制作出与股骨远端和胫骨近端匹配的个体化截骨导航模板实物,用于全膝关节置换手术的截骨定位。传统组按常规人工全膝关节置换手术程序进行操作。术后两组均摄整个下肢全长正侧位X线片,测量比较两组假体组件的角度。正位X线片测量：额面股骨部分(FFC)角,额面胫骨部分(FTC)角；侧位X线片测量：侧面股骨部分(LFC)角,侧面胫骨部分(LTC)角。两组取出膝关节假体后行全下肢CT扫描,比较冠状位下两种方法定位截骨后股骨远端截骨面与股骨机械轴线、胫骨近端截骨面与胫骨机械轴线的垂直关系及轴位下股骨后髁截骨面与外科髁上轴(SEA)的平行关系。对测得参数进行统计学分析。[结果]本组研究共设计制作了32个个体化导航模板,辅助全膝关节置换16例。术中所有的导航模板和股骨髁与胫骨平台贴附性较好,无明显偏差。①术后测量假体位置：正位x线片测量：模板组FFC平均偏差角度为1.2°±0.2°,传统组FFC平均偏差角度为2.4°±0.3°；模板组FTC平均偏差角度为1.4°±0.3°,传统组FTC平均偏差角度为2.3°±0.4°。侧位X线片测量：模板组LFC平均偏差角度为6.8°±0.2°,传统组LFC平均偏差角度为9.20±0.4°；模板组LTC平均偏差角度为2.4°±0.1°,传统组LTC平均偏差角度为4.8°±0.6°。模板组FFC、FTC、LFC、LTC平均偏差角度均小于传统组,差异均有统计学意义(p<0.05)。②术后CT测量截骨面与其机械轴线垂直关系：模板组：16例膝关节的股骨远端截骨面与股骨机械轴线成角88.9°-91.1°,平均90.1°,胫骨近端截骨面与胫骨机械轴线成角89.6°-90.7°,平均90.3°。14例股骨后髁截骨面与股骨外科髁上轴平行,其余2例有20以内成角；传统组：16例膝关节均出现截骨面与其机械轴线成角,成角偏差大于3°的有8例(股骨远端截骨面与股骨机械轴线成角偏差大于3°的有5例,其中大于4°的有1例；胫骨近端截骨面与胫骨机械轴成角偏差大于3°的有3例,其中有2例大于4°),12例股骨后髁截骨面与外科髁上轴成角,其中10例成角偏差大于3°。[结论]在人工全膝关节置换中个体化导航模板的使用明显的提高了股骨及胫骨的截骨精度,并且能够精确定位股骨远端假体旋转轴线,假体位置准确。第三部分个体化导航模板在临床全膝关节置换中的应用[目的]对个体化导航模板辅助患者行全膝关节置换后重建下肢机械轴线和假体安放的准确性进行分析,探讨基于MRI技术人工全膝关节置换中个体化导航模板临床应用的可行性。[方法]选取至我院就诊的膝关节骨性关节炎患者34例,其中男性10例(10膝),女性24例(24膝),随机分为导航模板组(模板组)和传统手术组(传统组),每组17例。模板组术前行患肢髋-膝-踝MRI扫描,通过三维重建软件、计算机辅助设计及逆向工程软件对数据进行处理,设计制作出与患者股骨远端和胫骨近端匹配的个体化截骨导航模板实物,用于全膝关节置换手术的截骨定位操作。传统组按常规人工全膝关节置换手术程序进行操作。术后两组均拍摄整个下肢全长正侧位X线片,比较个体化导航定位模板与传统方法在恢复下肢机械轴线的准确性和膝关节假体组件位置的准确性。[结果]本组研究共设计制作了34个导航模板,辅助全膝关节置换17例。术中所有的导航模板和股骨髁与胫骨平台贴附性较好。①术后正位x线片下肢机械轴线偏差角度：模板组为0.8°±0.4°,传统组为1.5°±0.4°,模板组下肢机械轴线平均偏差角度小于传统组,差异有统计学意义(p<0.05)。②正位x线片测量：模板组FFC平均偏差角度为1.30±0.2°,传统组为2.7°±0.5°：模板组FTC平均偏差角度为1.2°±0.2°,传统组为2.8°±0.6°,模板组FFC和FTC平均偏差角度均小于传统组,差异均有统计学意义(p<0.05)。③侧位x线片测量：模板组LFC平均偏差角度为5.5°±0.30,传统组为9.5°±0.50；模板组LTC平均偏差角度为2.7°±0.5°,传统组为5.2°±0.4°,模板组LFC和LTC平均偏差角度均小于传统组,差异均有统计学意义(p<0.05)。④模板组平均手术时间比传统组缩短30分钟,模板组术中失血量比传统组少约355ml,差异均有统计学意义(p<0.05)。[结论]个体化导航模板辅助全膝关节置换可获得精确的下肢机械轴线和假体组件位置,手术时间缩短,术中出血量减少,具有很大的应用推广前景。