运动力学特征的膝关节结构重建范文

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《航天医学与医学工程杂志》2014年第三期

1方法

1．1三维重建1)CT影像重建:将以上CT信息经Import(导入)Mimics，生成Mask(蒙板)，再经Threshold(阈值分割)、RegionGrowing(区域增长)、Editing-Masks(蒙板编辑)、Calculate-3D(模型运算)建立下肢全长，股骨、髌骨、胫骨三维雏型［2］，作为下一波测量分析的储备。2)MR影像重建:基本步骤同上，但侧重于EditingMasks，以便手工分割出灰度值相差不大的膝关节内外侧韧带［4］，作为下一波测量分析的储备。3)二模融合:虽然CT和MR扫描针对同一个体，但两机不可能同时同层面扫描，获得的扫描参数(层厚、分辨率及空间坐标等)不一样，因此，本研究计划参照我们的前期研究成果“9点3面方案”配准原理［7-8］，在MR重建的韧带模型选择明显的标志点，以便利用这些标志点进行配准并融合到CT重建的骨骼模型中，继而建立包含股骨、胫骨和髌骨以及两侧韧带的膝关节个性化生物模型。

1．2解剖学测量以逆向软件分别测量模型中的下肢机械轴、股骨解剖轴、胫骨解剖轴、股骨外旋角、胫骨平台后倾角等解剖学数据。

1．3运动学分析将重建出来的所有上述几何体导入ANSYSWorkbench，进行网格划分(材料赋值如表1)，施加载荷，最后从等效应力(equivalentstress)和等效应变(equivalentelasticstrain)云图中提取最大值以逐一分析膝关节的主要运动力学特征。

2结果

CT数据被输入Mimics后，把Threshold阈值设置为标准的成人骨质范围226～1778HU［6］;RegionGrowing对初步阈值分割蒙板上彼此不相连接的分割区域进一步细分亚组，提取出股骨、胫骨部分;EditingMasks对蒙板分割修补、去除干扰、修补漏洞。之后的Calculate结果高亮显示骨骼与周围组织界限清晰如图1(a)所示。至于计算机辅佐下的MR影像，因各种组织灰度值相差不大，尤其是韧带自动分割图像困难，Editingmasks［6］手工分割成为首选，结果分辨出膝关节诸如内外侧韧带等附件［1］的2D影像如图1(b)的伪彩染色带。启动逆向软件Mimics的测量模块分别检测:股骨、胫骨解剖学轴线、下肢机械轴线及其两者夹角，股骨前缘厚度、内外髁宽度、内外髁连线及其与后髁连线的夹角，股骨内外髁的宽度，胫骨关节面的前后径与横径间距、胫骨后倾角等参数如图2。启动Workbench的Generate指令生成有限元分析模型如图3(a)所示，经除噪、过滤、光顺、抛光、网格化等处理后如图3(b)所示，对骨骼、韧带、假体等结构赋值(包括弹性模量和泊松比)如图3(c)所示，分别向股骨加载280N压力、股四头肌800N拉力后的静力、方向和形变如图3(d)所示。

3讨论

由于CT对骨性结构显示清楚，但对软组织显示受限;MR扫描软组织成像清晰，清楚显示关节软骨、半月板、韧带等结构，所以本实验分别以CT扫描膝关节骨组织、以MR扫取软组织数据。把CT、MR扫描的二维断层输入到Mimics后，经过图像分割提取区域，并对快速满足膝关节运动学分析的需要。以上重建的解剖结构显示，凸起的股骨关节面和凹陷的胫骨关节面彼此吻合，使膝关节得以在矢状面上伸屈(约135°的屈曲和5～10°的过伸范围)、前后移位，并可在冠状面上内外移位、内收外展;外侧胫骨关节面的特征性凹陷决定了外重建起来的模型进行不同角度观察如图4，以侧胫股关节面并非完全吻合，从而允许膝关节在水平面上内外旋(约3°)、上下移位。不完全属于铰链形态的屈伸功能在运动中发挥着重要作用。如图5所示，相对于胫骨，它有滑动和滚动两种形式。单纯的铰链设计无法达成膝关节运动，通过骨性结构、半月板、关节囊及附属韧带的共同作用，才能保持膝关节的动态稳定。内侧副韧带控制胫骨在股骨上的外旋，外侧副韧带、股二头肌、髂胫束共同维持外侧结构的稳定，前、后交叉韧带更是维持膝关节最坚强的韧带。

为了简化实验过程，我们忽略膝关节运动的支变力学、软骨和半月板的变化，针对膝关节屈伸位姿的受力作有限元分析，发现膝关节负荷表现为胫股关节之间的压应力，其力度随步态和运动进程而变化。当两腿直立时，没有产生弯曲力矩和肌力，两膝分别承受膝关节以上体重的一半(约为体重的0．43倍)，受力方向平行于下肢机械轴;当平地步行时，重力、髌韧带拉力、股胫关节压力等三者合力构成膝关节的承载负荷可达体重的3．02倍，登楼梯时则可达4．25倍［10］;当单腿站立时，身体重力位于膝内侧，负重之腿向外侧倾斜、股骨倾向胫骨内髁以维持身体平衡，如果力量失衡就会造成胫骨内外髁受力不均甚至膝关节内外翻。由于膝关节是复杂结构的力学单元，股胫关节、内外侧副韧带和伸膝装置并不代表全部，故不能保证结论绝对准确，改进这一短处可望在后续研究中减少实验误差。

4结论

本研究对膝关节的三维结构作出重建，并以有限元实验从运动力学角度分析了人体在生理负荷条件下的运动力学特征。建立在这种模型重塑基础上的结构分析可以较充分阐述膝关节的运动力学特征。

作者：彭鳒侨张占磊钟世镇白波单位：广州医科大学附属第一医院广东省矫形植入骨科重点实验室南方医科大学临床解剖学研究所解放军医学生物力学重点实验室