膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的構(gòu)建及生物力學(xué)分析.pdf

1、目的和意義：膝關(guān)節(jié)是人體六大關(guān)節(jié)之一，也是下肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的主要承重關(guān)節(jié)。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)量大，其傷病率位居所有關(guān)節(jié)之首，包括由外因或內(nèi)因?qū)е碌南リP(guān)節(jié)疼痛或功能障礙，而膝關(guān)節(jié)的病損則會(huì)嚴(yán)重影響患者的活動(dòng)功能及生活質(zhì)量。目前對(duì)膝關(guān)節(jié)疾病的診斷主要是依靠影像學(xué)手段，常規(guī) X線平片、核磁共振成像掃描（Magnetic resonance imaging，MRI）圖像及計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computerized tomography，CT）圖像在客

2、觀準(zhǔn)確的診斷膝關(guān)節(jié)疾病中各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但圖譜上的二維平面圖像僅僅只代表某一截面的解剖信息，難以說(shuō)明人體的三維立體結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)性質(zhì)。因此，了解膝關(guān)節(jié)的三維立體結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)性質(zhì)和行為，有助于更好地理解膝關(guān)節(jié)各類(lèi)損傷的轉(zhuǎn)歸及退行性病變的原因。
　　構(gòu)建膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，首先是在三維軟件中通過(guò)圖像處理等重建膝關(guān)節(jié)的三維模型，然后再導(dǎo)入有限元分析軟件中賦值及設(shè)定條件等建立膝關(guān)節(jié)三維有限元模型及進(jìn)行生物力學(xué)分析。了解膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特

3、性，對(duì)正確建立各類(lèi)膝關(guān)節(jié)傷病后的康復(fù)方案、進(jìn)行各類(lèi)膝關(guān)節(jié)矯形手術(shù)、設(shè)計(jì)及精確安置膝關(guān)節(jié)假體都具有重要意義。本研究應(yīng)用活體右側(cè)膝關(guān)節(jié)CT及MRI斷層影像資料，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理軟件Mimics和有限元分析軟件Ansys，擬建立一個(gè)能夠在普通計(jì)算機(jī)上使用的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，同時(shí)進(jìn)行初步生物力學(xué)分析，通過(guò)對(duì)膝關(guān)節(jié)的三維模型分析，為個(gè)性化膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)及3D打印奠定基礎(chǔ)。
　　方法：
　　1.選取1例健康年輕女性志愿者，對(duì)同一膝

4、關(guān)節(jié)（右側(cè)）行CT及MRI掃描，采集二維斷層影像數(shù)據(jù)，利用比利時(shí)公司Materialise開(kāi)發(fā)的交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)（Materialise’s Interactive Medical Image Control System，Mimics）10.01，通過(guò)二維圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入、Hounsfield值選取，圖像增強(qiáng)、圖像分割、蒙板編輯、布爾運(yùn)算及calculate3D等步驟構(gòu)建膝關(guān)節(jié)的三維立體模型，將其導(dǎo)入美國(guó)ANSYS公司研制的通用有限

5、元分析軟件（Analysis system，Ansys）10.0中，通過(guò)定義單元類(lèi)型、材料賦值、網(wǎng)格劃分等建立膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。
　　2.利用Mimics軟件FEA模塊中網(wǎng)格重劃（Remesh）功能，通過(guò)大量參數(shù)的嘗試，優(yōu)化Remesh參數(shù)設(shè)定。
　　3.在 Ansys軟件中，通過(guò)定義位移約束和壓力載荷，模擬膝關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動(dòng)，從0°、30°、45°、60°和90°等不同角度進(jìn)行生物力學(xué)分析。
　　4.通過(guò)比較脛骨模型

6、和脛骨半月板模型，從形態(tài)學(xué)上優(yōu)化膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)。
　　結(jié)果：
　　1.通過(guò)膝關(guān)節(jié)CT及MRI斷層影像數(shù)據(jù)，首先在Mimics軟件中成功建立了膝關(guān)節(jié)的三維模型，所獲得的模型幾何形態(tài)逼真、清晰、解剖標(biāo)志明顯。模型可任意組合，以不同顏色顯示，能進(jìn)行縮小、放大、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)體渲染的參數(shù)或透光度的切換，可以清晰顯示膝關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)的解剖位置關(guān)系。三維模型圖像還能保存為多種格式，或者通過(guò)Capture movie錄制進(jìn)行動(dòng)態(tài)視頻顯示

7、。然后再將模型導(dǎo)入到Ansys中，成功建立了膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，為進(jìn)一步進(jìn)行膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。
　　2.基于Mimics及Ansys軟件，通過(guò)Remesh的參數(shù)優(yōu)化，成功構(gòu)建了能夠在個(gè)人計(jì)算機(jī)上應(yīng)用的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，該模型可以最真實(shí)保留膝關(guān)節(jié)幾何形態(tài)且數(shù)據(jù)量小，能夠在個(gè)人計(jì)算機(jī)上進(jìn)行生物力學(xué)分析。
　　3.模擬膝關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動(dòng)，對(duì)該模型生物力學(xué)分析顯示膝關(guān)節(jié)在伸直位時(shí)主應(yīng)力最小，提示在個(gè)性化膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)時(shí)，

8、其形態(tài)應(yīng)以病人自身膝關(guān)節(jié)伸直位為參考依據(jù)。
　　結(jié)論：
　　1.利用膝關(guān)節(jié)CT及MRI掃描數(shù)據(jù)，通過(guò)Mimics軟件分割提取股骨、脛骨、髕骨、腓骨、半月板，成功重建膝關(guān)節(jié)三維模型，其三維模型有助于理解膝關(guān)節(jié)各類(lèi)損傷的轉(zhuǎn)歸及關(guān)節(jié)退行性病變的原因、解剖學(xué)研究和診療手術(shù)方案的設(shè)計(jì)及制定。
　　2.通過(guò)Remesh的參數(shù)優(yōu)化，將三維模型導(dǎo)入Ansys有限元分析軟件，成功構(gòu)建了能夠在個(gè)人計(jì)算機(jī)上應(yīng)用的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，該模型