運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征的膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)重建范文

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《航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程雜志》2014年第三期

1方法

1．1三維重建1)CT影像重建:將以上CT信息經(jīng)Import(導(dǎo)入)Mimics，生成Mask(蒙板)，再經(jīng)Threshold(閾值分割)、RegionGrowing(區(qū)域增長(zhǎng))、Editing-Masks(蒙板編輯)、Calculate-3D(模型運(yùn)算)建立下肢全長(zhǎng)，股骨、髕骨、脛骨三維雛型［2］，作為下一波測(cè)量分析的儲(chǔ)備。2)MR影像重建:基本步驟同上，但側(cè)重于EditingMasks，以便手工分割出灰度值相差不大的膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)韌帶［4］，作為下一波測(cè)量分析的儲(chǔ)備。3)二模融合:雖然CT和MR掃描針對(duì)同一個(gè)體，但兩機(jī)不可能同時(shí)同層面掃描，獲得的掃描參數(shù)(層厚、分辨率及空間坐標(biāo)等)不一樣，因此，本研究計(jì)劃參照我們的前期研究成果“9點(diǎn)3面方案”配準(zhǔn)原理［7-8］，在MR重建的韌帶模型選擇明顯的標(biāo)志點(diǎn)，以便利用這些標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)并融合到CT重建的骨骼模型中，繼而建立包含股骨、脛骨和髕骨以及兩側(cè)韌帶的膝關(guān)節(jié)個(gè)性化生物模型。

1．2解剖學(xué)測(cè)量以逆向軟件分別測(cè)量模型中的下肢機(jī)械軸、股骨解剖軸、脛骨解剖軸、股骨外旋角、脛骨平臺(tái)后傾角等解剖學(xué)數(shù)據(jù)。

1．3運(yùn)動(dòng)學(xué)分析將重建出來(lái)的所有上述幾何體導(dǎo)入ANSYSWorkbench，進(jìn)行網(wǎng)格劃分(材料賦值如表1)，施加載荷，最后從等效應(yīng)力(equivalentstress)和等效應(yīng)變(equivalentelasticstrain)云圖中提取最大值以逐一分析膝關(guān)節(jié)的主要運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征。

2結(jié)果

CT數(shù)據(jù)被輸入Mimics后，把Threshold閾值設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)的成人骨質(zhì)范圍226～1778HU［6］;RegionGrowing對(duì)初步閾值分割蒙板上彼此不相連接的分割區(qū)域進(jìn)一步細(xì)分亞組，提取出股骨、脛骨部分;EditingMasks對(duì)蒙板分割修補(bǔ)、去除干擾、修補(bǔ)漏洞。之后的Calculate結(jié)果高亮顯示骨骼與周?chē)M織界限清晰如圖1(a)所示。至于計(jì)算機(jī)輔佐下的MR影像，因各種組織灰度值相差不大，尤其是韌帶自動(dòng)分割圖像困難，Editingmasks［6］手工分割成為首選，結(jié)果分辨出膝關(guān)節(jié)諸如內(nèi)外側(cè)韌帶等附件［1］的2D影像如圖1(b)的偽彩染色帶。啟動(dòng)逆向軟件Mimics的測(cè)量模塊分別檢測(cè):股骨、脛骨解剖學(xué)軸線、下肢機(jī)械軸線及其兩者夾角，股骨前緣厚度、內(nèi)外髁寬度、內(nèi)外髁連線及其與后髁連線的夾角，股骨內(nèi)外髁的寬度，脛骨關(guān)節(jié)面的前后徑與橫徑間距、脛骨后傾角等參數(shù)如圖2。啟動(dòng)Workbench的Generate指令生成有限元分析模型如圖3(a)所示，經(jīng)除噪、過(guò)濾、光順、拋光、網(wǎng)格化等處理后如圖3(b)所示，對(duì)骨骼、韌帶、假體等結(jié)構(gòu)賦值(包括彈性模量和泊松比)如圖3(c)所示，分別向股骨加載280N壓力、股四頭肌800N拉力后的靜力、方向和形變?nèi)鐖D3(d)所示。

3討論

由于CT對(duì)骨性結(jié)構(gòu)顯示清楚，但對(duì)軟組織顯示受限;MR掃描軟組織成像清晰，清楚顯示關(guān)節(jié)軟骨、半月板、韌帶等結(jié)構(gòu)，所以本實(shí)驗(yàn)分別以CT掃描膝關(guān)節(jié)骨組織、以MR掃取軟組織數(shù)據(jù)。把CT、MR掃描的二維斷層輸入到Mimics后，經(jīng)過(guò)圖像分割提取區(qū)域，并對(duì)快速滿足膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的需要。以上重建的解剖結(jié)構(gòu)顯示，凸起的股骨關(guān)節(jié)面和凹陷的脛骨關(guān)節(jié)面彼此吻合，使膝關(guān)節(jié)得以在矢狀面上伸屈(約135°的屈曲和5～10°的過(guò)伸范圍)、前后移位，并可在冠狀面上內(nèi)外移位、內(nèi)收外展;外側(cè)脛骨關(guān)節(jié)面的特征性凹陷決定了外重建起來(lái)的模型進(jìn)行不同角度觀察如圖4，以側(cè)脛股關(guān)節(jié)面并非完全吻合，從而允許膝關(guān)節(jié)在水平面上內(nèi)外旋(約3°)、上下移位。不完全屬于鉸鏈形態(tài)的屈伸功能在運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。如圖5所示，相對(duì)于脛骨，它有滑動(dòng)和滾動(dòng)兩種形式。單純的鉸鏈設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)成膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)骨性結(jié)構(gòu)、半月板、關(guān)節(jié)囊及附屬韌帶的共同作用，才能保持膝關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。內(nèi)側(cè)副韌帶控制脛骨在股骨上的外旋，外側(cè)副韌帶、股二頭肌、髂脛束共同維持外側(cè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，前、后交叉韌帶更是維持膝關(guān)節(jié)最堅(jiān)強(qiáng)的韌帶。

為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，我們忽略膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的支變力學(xué)、軟骨和半月板的變化，針對(duì)膝關(guān)節(jié)屈伸位姿的受力作有限元分析，發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)負(fù)荷表現(xiàn)為脛股關(guān)節(jié)之間的壓應(yīng)力，其力度隨步態(tài)和運(yùn)動(dòng)進(jìn)程而變化。當(dāng)兩腿直立時(shí)，沒(méi)有產(chǎn)生彎曲力矩和肌力，兩膝分別承受膝關(guān)節(jié)以上體重的一半(約為體重的0．43倍)，受力方向平行于下肢機(jī)械軸;當(dāng)平地步行時(shí)，重力、髕韌帶拉力、股脛關(guān)節(jié)壓力等三者合力構(gòu)成膝關(guān)節(jié)的承載負(fù)荷可達(dá)體重的3．02倍，登樓梯時(shí)則可達(dá)4．25倍［10］;當(dāng)單腿站立時(shí)，身體重力位于膝內(nèi)側(cè)，負(fù)重之腿向外側(cè)傾斜、股骨傾向脛骨內(nèi)髁以維持身體平衡，如果力量失衡就會(huì)造成脛骨內(nèi)外髁受力不均甚至膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻。由于膝關(guān)節(jié)是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)單元，股脛關(guān)節(jié)、內(nèi)外側(cè)副韌帶和伸膝裝置并不代表全部，故不能保證結(jié)論絕對(duì)準(zhǔn)確，改進(jìn)這一短處可望在后續(xù)研究中減少實(shí)驗(yàn)誤差。

4結(jié)論

本研究對(duì)膝關(guān)節(jié)的三維結(jié)構(gòu)作出重建，并以有限元實(shí)驗(yàn)從運(yùn)動(dòng)力學(xué)角度分析了人體在生理負(fù)荷條件下的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征。建立在這種模型重塑基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)分析可以較充分闡述膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征。

作者：彭鳒僑張占磊鐘世鎮(zhèn)白波單位：廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院廣東省矯形植入骨科重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南方醫(yī)科大學(xué)臨床解剖學(xué)研究所解放軍醫(yī)學(xué)生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室