磁共振膝關(guān)節(jié)有限元模型的構(gòu)建研究

奇勒莫格 趙 騫 何 穎 王斯若 胡曉娟 楊 峰

沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院，遼寧 沈陽(yáng) 110024

*通訊作者：楊峰 E-mail：500289526144@qq.com

磁共振膝關(guān)節(jié)有限元模型的構(gòu)建研究

奇勒莫格 趙 騫 何 穎 王斯若 胡曉娟 楊 峰*

沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院，遼寧 沈陽(yáng) 110024

*通訊作者：楊峰 E-mail：500289526144@qq.com

目的分析基于磁共振膝關(guān)節(jié)影像，建立有限元模型的方法。

膝關(guān)節(jié)； 磁共振；有限元模型； 構(gòu)建

在全身中，膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)比較大，并且較為復(fù)雜，杠桿作用力比較強(qiáng)，但是，膝關(guān)節(jié)形態(tài)特征使得它缺乏穩(wěn)定性，在臨床中，膝關(guān)節(jié)損傷比較常見(jiàn)。在膝關(guān)節(jié)功能方面，韌帶、半月板發(fā)揮較大的作用，在生物學(xué)研究中，韌帶、半月板一直是研究的熱點(diǎn)。在三維結(jié)構(gòu)力學(xué)中，有限元分析具有自身的優(yōu)勢(shì)，但是，國(guó)內(nèi)在膝關(guān)節(jié)三維重建方面研究比較少［1］。本次研究主要是應(yīng)用磁共振建立膝關(guān)節(jié)有限元模型，有助于生物學(xué)研究。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇正常男性患者1例，進(jìn)行X線檢查，將相關(guān)的疾病排除。在掃描膝關(guān)節(jié)時(shí)，應(yīng)用1.5TMRI，獲得相應(yīng)的資料。配備有限元分析軟件。

1.2 方法

對(duì)志愿者進(jìn)行掃描，應(yīng)用1.5TMRI，獲得連續(xù)矢狀面圖像，層厚1.5 mm。在工作站電腦中，將圖像文件導(dǎo)入，導(dǎo)入形式是Dicom。利用3D—Doctor軟件，對(duì)質(zhì)子密度加權(quán)像，采用的邊界為：（1）半月板邊界，（2）脛骨邊界，（3）股骨邊界；對(duì)三維毀損梯度回波3D—SPGR加權(quán)像，采用的是軟骨層邊界［2］。對(duì)每層圖像，需要進(jìn)行繪制，成為點(diǎn)陣圖，然后實(shí)行數(shù)字化，取得相應(yīng)層面的空間坐標(biāo)。在ANSYS軟件系統(tǒng)中，導(dǎo)入數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)的建模方法，建立三維空間模型。

XY平面是膝關(guān)節(jié)矢狀面，X軸是前后方向，Y軸是上下方向，Z軸和XY平面相垂直，方向是膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)至外側(cè)，也就是進(jìn)行MRI掃描，層距與層厚之和。層數(shù)共為60層，在建立Z軸方向時(shí)，主要是結(jié)合實(shí)際的情況建立。每層的相關(guān)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行連接，最后形成幾何模型。應(yīng)用ANSYS系統(tǒng)，重建膝關(guān)節(jié)組成部分，并進(jìn)行網(wǎng)格化。

2 結(jié)果

根據(jù)膝關(guān)節(jié)磁共振加權(quán)像，結(jié)合相關(guān)的建模方式，對(duì)膝關(guān)節(jié)股骨-半月板-脛骨復(fù)合體的三維有限元模型進(jìn)行重建。

3 討論

3.1 在骨科領(lǐng)域有限元的應(yīng)用

標(biāo)本試驗(yàn)具有一定的局限性，有限元分析主要是控制實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)體內(nèi)力學(xué)情況進(jìn)行模擬。有限元分析在研究骨關(guān)節(jié)形態(tài)、結(jié)構(gòu)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，在臨床模擬中具有很大的真實(shí)性。有限元分析在組織器官力學(xué)特性分析方面應(yīng)用較廣，但是對(duì)于膝關(guān)節(jié)的研究相對(duì)較少。

3.2 磁共振建立膝關(guān)節(jié)有限元模型的優(yōu)點(diǎn)

Bendjaballah等人在膝關(guān)節(jié)研究方面，應(yīng)用CT進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量，并建立有限元模型，但是，CT在軟組織成像方面受到限制，對(duì)軟骨應(yīng)力變化不能進(jìn)行分析，在軟組織如半月板等方面建模不滿意。進(jìn)行MRI掃描，軟組織成像比較清晰，能夠獲得多層面的數(shù)據(jù)，并獲取三維圖像，利用有限元方法，能夠獲得各部分的結(jié)構(gòu)，對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)可以進(jìn)行分析。在本次研究中，對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行MRI圖像分析，融合加權(quán)像圖像，結(jié)合MRI在軟組織成像方面的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，所建立的三維模型能夠反映膝關(guān)節(jié)的特點(diǎn)，在有限元仿真計(jì)算中可以直接的應(yīng)用，建立的模型和實(shí)際情況相似度較高，在結(jié)構(gòu)方面，展示三維模型的優(yōu)勢(shì)，避開(kāi)二維模型的缺陷。在建構(gòu)幾何體方面，比較客觀，膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)得以真實(shí)的反映，生物學(xué)屬性展現(xiàn)比較真實(shí)，有助于分析膝關(guān)節(jié)的模型。建構(gòu)有限元模型，在骨關(guān)節(jié)損傷診治方面具有一定的優(yōu)勢(shì)［3］。

3.3 磁共振儀器改進(jìn)

在本次研究中，應(yīng)用的MRI儀器是1.5T超導(dǎo)型MR機(jī)，現(xiàn)階段，在臨床應(yīng)用中，開(kāi)始應(yīng)用3TMR。和1.5TMR相比，3T圖像像素顆粒比較小，圖像清晰度更高，更為細(xì)膩，分解更加清晰，在細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)方面具有很強(qiáng)的空間分辨能力。3T圖像優(yōu)勢(shì)主要是因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)高，梯度場(chǎng)較高，切換率比較高，提高信噪比以及空間分辨的能力，所以，在膝關(guān)節(jié)建構(gòu)模型方面，3TMR將會(huì)更加真實(shí)。

總之，在進(jìn)行膝關(guān)節(jié)模型建構(gòu)時(shí)，應(yīng)用磁共振掃描，建構(gòu)有限元模型，膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)反映更加真實(shí)，能夠真實(shí)的模擬半月板情況，值得臨床推廣。

［1］侯波， 王毅， 沈宇輝． 膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)有限元模型的力學(xué)分析［J］．中國(guó)組織工程研究，2013，17（22）：3998．

［2］韓剛， 裴曉東．全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)研究進(jìn)展［J］．中國(guó)現(xiàn)代醫(yī)生，2013，51（17）：15-16．

［3］劉曉敏． 基于MRI圖像膝關(guān)節(jié)有限元模型的建立［J］．中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合影像學(xué)雜志，2012，10（3）：237．

R687.4

B

1674-9316（2014）06-0029-02

10.3969/J.ISSN.1674-9316.2014.06.016

沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院科技基金

方法結(jié)合MR掃描圖像，借助于圖像處理技術(shù)，利用轉(zhuǎn)換技術(shù)，應(yīng)用有限元程序，建立膝關(guān)節(jié)有限元模型。

結(jié)果根據(jù)膝關(guān)節(jié)磁共振加權(quán)像，結(jié)合相關(guān)的建模方式，對(duì)膝關(guān)節(jié)有限元模型進(jìn)行重建。模型主要是包括以下幾個(gè)部分：1內(nèi)側(cè)和外側(cè)的半月板，2脛骨軟骨層，3股骨軟骨層，4股骨下段，5脛骨上段，模型位置形態(tài)較為真實(shí)。

結(jié)論在進(jìn)行膝關(guān)節(jié)模型建構(gòu)時(shí)，應(yīng)用磁共振掃描，建構(gòu)有限元模型，膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)反映更加真實(shí)，能夠真實(shí)的模擬半月板情況，值得臨床推廣。