基于MRI的膝关节三维模型建立及有限元分析可行性探讨

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研究背景：
　　膝关节是人体最大、最复杂的关节，其复杂的解剖构造和运动方式使膝关节成为最易受到损伤的关节之一。数字化三维重建及可视化的膝关节模型对其解剖、临床诊断和治疗以及膝关节生物力学有限元分析的研究具有十分重要的意义。对于膝关节的三维重建早已有报道，但所应用的数据源及采用的重建方法各异。目前对于膝关节生物力学有限元分析的研究主要为采用膝关节CT薄层扫描数据，但是因为CT对软组织的识别能力较差，多数只能建立膝关节骨骼的数字化三维模型，导入三维有限元分析软件后，虚拟构建骨软骨、半月板及韧带的模型，从而对膝关节模型进行生物力学有限元分析。
　　MRI对软组织具有较强的识别力，因此利用MRI图像数据建立的膝关节三维模型不仅可以较准确地显示其解剖结构，还能使周围的软组织形成较好的信号对比，克服CT对软组织分辨力较低的问题，从而使建立的三维模型更完整，更接近其真实结构。目前利用MRI图像数据建立膝关节三维模型的研究仍较少，本研究通过采集人体膝关节MRI平扫的二维图像数据，应用逆向工程技术，建立了较完整的膝关节数字化三维模型，并探讨此模型进行生物力学有限元分析的可行性。
　　目的：
　　应用逆向工程技术基于MRI薄层扫描图像重建人体膝关节数字化三维模型，并探讨其应用于生物力学有限元分析的可行性。
　　方法：
　　选取2个正常志愿者，行右膝关节MRI检查初步排除膝关节病变，选择其中1例（女，36岁），使用MRI机（GE/1.5T）对其右膝关节行厚1.2mm的连续扫描，将生成的CTDicom数据导入Materiaise’s interactive medical image control system（Mimics）软件后，经过阈值界定、确定边界、填充空腔、生成3D文件的步骤，建立右膝关节包含股骨、胫骨、腓骨、髌骨、股骨软骨、胫骨软骨、髌骨软骨、内外侧半月板、内外侧副韧带、前后交叉韧带的数字化三维可视化模型。利用Mimics软件自带测量工具，对建立的膝关节模型骨骼、软骨、半月板及韧带组织进行三维及断面数据测量后，使用Mimics软件内置Magics9.9软件将所得膝关节三维模型经过去冗余，精度精减，三角形自交测试、表面网格化多个步骤处理后，导入ANSYS有限元分析软件，进行赋值（设置单元类型、实常数、材料属性）后划分体网格，从而验证模型各组成部分进行力学分析的可行性。
　　结果：
　　1.成功建立了包括髌骨、股骨、胫骨、腓骨、骨软骨、半月板、副韧带、十字韧带等组织结构的膝关节的三维可视化模型。模型可以显示不同颜色及任意组合，可进行放大、缩小以及旋转等多方位观察,同时可对建立的模型任意部位进行数据测量。
　　2.骨骼、骨软骨及半月板模型进行设置单元类型、实常数、材料属性及体网格划分并组装成功，得到股骨模型含单元数7463个、节点数1296个，胫骨模型单元数7139个、节点数994个，腓骨模型单元数2019个、节点数538个，髌骨模型单元数1204个、节点数481个，股骨软骨模型单元数977个、节点数305个，胫骨软骨模型单元数835个、节点数273个，髌骨软骨模型单元数376个、节点数104个，外侧半月板模型单元数1194个、节点数323个，内侧半月板模型单元数1242个、节点数329个。
　　3.韧带模型因无法选择正确的单元类型，不能进行正确导入及组装。
　　结论：
　　1.基于MRI薄层扫描数据，成功重建了精细的膝关节数字化三维可视化模型，与以往基于CT图像数据建模相比，较完整的建立了膝关节骨骼、软骨、半月板及韧带的模型。
　　2.膝关节模型中骨骼、骨软骨及半月板的模型能够进行设置单元属性、实常数、材料属性及体网格划分等有限元分析前预处理并组装成功。
　　3.Ansys软件中目前尚无合适的单元类型定义韧带实体模型，故韧带模型无法完成正确赋值及组装。
　　4.使用基于MRI薄层扫描图像建立并经过有限元分析前预处理后的骨骼、软骨及半月板模型部分，如能利用虚拟韧带代替韧带模型，将可对建立的膝关节三维模型进行生物力学有限元分析。

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作者
梁伟;
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作者单位

汕头大学;

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授予单位汕头大学;
学科临床医学(骨科)
授予学位硕士
导师姓名贝抗胜;
年度 2014
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类下肢骨;核磁共振成像;
关键词
膝关节; MRI技术; 三维模型; 有限元分析; 生物力学;

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