圖像融合法建立膝關(guān)節(jié)有限元模型并模擬負(fù)載.pdf

1、研究背景：
　　膝關(guān)節(jié)是人體最重要、最復(fù)雜的一個(gè)負(fù)重關(guān)節(jié)，由于其獨(dú)特的解剖構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)方式，損傷很常見。三維可視化數(shù)字膝關(guān)節(jié)模型的重建，對(duì)了解膝關(guān)節(jié)的解剖、疾病診斷、治療和生物力學(xué)研究有著重要意義[1]。對(duì)于膝關(guān)節(jié)的三維重建已有較多報(bào)道，但由于數(shù)據(jù)來源、所選取的軟件等不同，目前尚無重建膝關(guān)節(jié)三維可視化數(shù)字模型的固定模式。目前應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)有限元生物力學(xué)分析研究的數(shù)據(jù)主要來自人體活體斷層掃描，即CT或MR，前者通過人體組織的密度不同，由

2、圖像的灰度體現(xiàn)，在提取骨骼的三維模型時(shí)有優(yōu)勢(shì)[2]；后者為質(zhì)子在強(qiáng)磁場(chǎng)下釋放信號(hào)強(qiáng)弱不同而顯像，對(duì)于人體軟組織的分辨能力較強(qiáng)[3]。大部分研究者多是利用CT或MR單一模態(tài)的圖像，重建膝關(guān)節(jié)的三維模型，前者難以重建軟組織結(jié)構(gòu)，只能虛擬重構(gòu)，最終模型與真實(shí)結(jié)構(gòu)相差較遠(yuǎn)[4]；后者因掃描設(shè)備、逆向軟件缺陷，重建時(shí)智能化程度低、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，所得三維圖像相對(duì)粗糙[5]。本文創(chuàng)造性地利用HyperMesh軟件將CT和MR重建的三維圖像進(jìn)行融合，充分

3、發(fā)揮了二者的優(yōu)勢(shì)，為有限元建模提供一種新的可能，并利用該模型作為數(shù)據(jù)平臺(tái)，進(jìn)行力學(xué)模擬負(fù)載。
　　目的：
　　利用多模態(tài)圖像融合法重建正常人體膝關(guān)節(jié)三維可視化有限元模型，模型經(jīng)驗(yàn)證合格后模擬負(fù)載，試分析人體膝關(guān)節(jié)伸直位靜息狀態(tài)下的生物力學(xué)狀態(tài)，并探討膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎早期的發(fā)病機(jī)制。
　　方法
　　選取一名健康青年男性志愿者，無明確膝關(guān)節(jié)外傷史，行右膝關(guān)節(jié)X線攝片排除膝關(guān)節(jié)病變，GE1.5T MRI對(duì)其右膝關(guān)節(jié)行層

4、厚1.5mm無間隔的T2像連續(xù)掃描，在一次定位中，分別行右膝矢狀位及冠狀位掃描，以DICOM格式存盤；同一志愿者，行上述掃描范圍大致一致的CT軸位薄層掃描，同樣以DICOM格式存盤。將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件中，經(jīng)過閾值分割、區(qū)域增長(zhǎng)、計(jì)算輪廓線、編輯蒙版、生成3D文件的步驟，在CT圖像中分別提取了膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)，即股骨下段、脛骨上端、腓骨上端、髕骨的三維模型，在MR圖像中分別提取了膝關(guān)節(jié)的主要軟組織結(jié)構(gòu)，即股骨軟骨、脛骨軟骨、髕骨

5、軟骨、半月板、交叉韌帶、側(cè)副韌帶的三維模型。再將上述重建的三維模型分別導(dǎo)入Hyperwork軟件中，調(diào)整各自的坐標(biāo)系，完成膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)和非骨性結(jié)構(gòu)的裝配，建立完整的膝關(guān)節(jié)幾何模型。再分別對(duì)各部分進(jìn)行定義單元屬性、賦值，成為膝關(guān)節(jié)的有限元模型。再將上述模型導(dǎo)入Ansys軟件中，限制股骨自由度，在脛骨施加一個(gè)向前的134N力，脛骨向前移動(dòng)了4.7mm，與既往的模型對(duì)比[6]，證實(shí)了模型的精準(zhǔn)性。限制脛骨自由度，在股骨上加載600N自上而下

6、的力，模擬、分析該志愿者單足站立膝關(guān)節(jié)伸直位應(yīng)力響應(yīng)情況。
　　結(jié)果：
　　1、分別利用CT數(shù)據(jù)建立了膝關(guān)節(jié)骨的三維模型，MR數(shù)據(jù)建立了韌帶、半月板、軟骨的三維模型。可任意旋轉(zhuǎn)、縮放模型，觀察各結(jié)構(gòu)在三維空間的相對(duì)關(guān)系。
　　2、膝關(guān)節(jié)骨性部分和非骨性部分，在HyperMesh中組裝成功，裝配后各組件三維空間位置關(guān)系匹配合理。
　　3、體網(wǎng)格劃分后，可成功導(dǎo)入Ansys軟件。體網(wǎng)格劃分得到的股骨模型含節(jié)點(diǎn)數(shù)127

7、17、單元數(shù)58230，脛骨模型節(jié)點(diǎn)數(shù)9510、單元數(shù)43188，腓骨節(jié)點(diǎn)數(shù)1789、單元數(shù)7128，髕骨節(jié)點(diǎn)數(shù)2534、單元數(shù)10568，前交叉韌帶節(jié)點(diǎn)數(shù)6972、單元數(shù)30622，后交叉韌帶節(jié)點(diǎn)數(shù)8431、單元數(shù)37328，內(nèi)側(cè)半月板節(jié)點(diǎn)數(shù)3870、單元數(shù)15518，外側(cè)半月板節(jié)點(diǎn)數(shù)4634、單元數(shù)18532，內(nèi)側(cè)副韌帶節(jié)點(diǎn)數(shù)1957、單元數(shù)6603，外側(cè)副韌帶節(jié)點(diǎn)數(shù)773、單元數(shù)2203，髕韌帶節(jié)點(diǎn)數(shù)7342、單元數(shù)25426，股

8、骨軟骨節(jié)點(diǎn)數(shù)11990、單元數(shù)60961，脛骨軟骨節(jié)點(diǎn)數(shù)48309、單元數(shù)260754，髕骨軟骨節(jié)點(diǎn)數(shù)21264、單元數(shù)116871。
　　4、有限元模型經(jīng)驗(yàn)證，脛骨上端水平位移4.7mm，前交叉韌帶應(yīng)力集中于股骨、脛骨止點(diǎn)處，最大應(yīng)力區(qū)集中于前交叉韌帶后外側(cè)束股骨止點(diǎn)處。
　　5、利用有限元模型模擬正常成人、單足站立時(shí)的力學(xué)分布情況，分析顯示：股骨軟骨、半月板、脛骨軟骨和脛骨的內(nèi)外側(cè)均有前后兩個(gè)應(yīng)力分布集中區(qū)。
　　

9、結(jié)論：
　　1、基于CT和MR多模態(tài)掃描數(shù)據(jù)的圖像融合法，能夠成功構(gòu)建人體膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型，模型包括股骨下段、脛腓骨上段、髕骨、關(guān)節(jié)面軟骨和周圍主要韌帶。
　　2、有限元模型經(jīng)驗(yàn)證，關(guān)節(jié)各部分應(yīng)力響應(yīng)與既往類似研究報(bào)道數(shù)據(jù)吻合程度高，證實(shí)了模型具有良好的真實(shí)性、精準(zhǔn)度，為進(jìn)一步生物力學(xué)研究提供了可靠的數(shù)據(jù)平臺(tái)。
　　3、膝關(guān)節(jié)伸直位時(shí)，應(yīng)力主要集中于關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)，有前后兩個(gè)應(yīng)力集中區(qū)。通過數(shù)字模型證實(shí)了關(guān)節(jié)應(yīng)力失衡，