基于CT数据的人体膝关节三维重建及分析
基于CT数据的人体膝关节三维重建及分析
首先，将膝关节CT图像导入Mimics软件中，并对其进行阈值分割、区域增长、蒙板编辑等生成膝关节的三维轮廓，通过该软件的Remersh模块对模型进行光滑处理。然后，以STL格式导入Geomagic软件中，对齐产生网格包裹后采用曲面功能构建膝关节的曲面模型。最后，在UG软件中，通过拉伸、建模相关功能完成膝关节实体模型的三维重建以及装配，并采用该软件对模型进行材料属性、边界条件及载荷的设置并进行有限元分析，完成了在生理载荷下膝关节的后屈、拉伸、侧弯与压缩的分析，通过相关的实验结果进行比较，验证了该模型的有效性。
关键词 膝关节，三维重建，有限元分析
1 引言 1
1．1 有限元法在生物力学方面的应用 1
1.1.1 有限元力学分析在改良器械设计方面的应用 1
1.1.2 有限元模型在力学仿真中的应用 2
1.2 髋关节有限元模型的建立 3
1.3 正常膝关节三维立体模型的建立 4
1.4 有限元法的优缺点 4
1.5 本文研究的内容 4
2 膝关节模型的三维重建 5
2.1 膝关节骨骼的三维重建 5
2.1.1 CT图像的导入 6
2.1.2 调整窗宽位置 8
2.1.3 阈值分割 9
2.1.4 区域增长 10
2.1.5 蒙板裁剪与蒙板编辑 11
2.1.6 三维重建 12
2.1.7 模型光滑 12
2.2 半月板模型的三维重建 14
2.2.1 利用Geomagic 软件构建NUBERS曲面 14
2.2.2使用UG软件构建半月板 16
3 有限元分析 17
3.1 UG预处理 18
3.1.1 材料属性设置 18
3.1.2 网格划分 18
3.2 边界条件 20
3.3 求解运行 21
3.4 结果分析 22
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
1 引言
膝关节作为人体最大、最复杂的关节，由股骨和胫骨组成，且位置位于踝关节和髋关节之间，是下肢活动最主要的关节。膝关节不属于身体中最常受伤的部位，但却可以说是最薄弱的。谈到膝关节问题要有几个概念，首先是结构，膝关节由上半部分的大腿骨即股骨和下半部分的小腿骨即胫骨组成，两骨上方还有矢状端盖骨，保护两骨的关节处以及半月板不易受到外界的损伤。在股骨和胫骨之间左右分布着两个大的软骨，分别称为内侧半月板和外侧半月板。股骨前下端有槽用于放置髌骨，能非常好的供髌骨在糟内上下移动，这些关节表面的软骨能吸收震动，承受压力，直到它们老化，出现问题。人在运动时，他的软骨组织，特别是半月板，最容易受到伤害，并且容易导致骨折。膝关节是支撑人体的一个关键部位，非常容易跌伤，不小心跌伤膝盖的可能性高达90%，所以一定要注意保护。
膝关节重要程度及相关疾病越来越多的为人们所认识，对其的研究也越来越深入。膝关节的解剖结构与其相应的生物力学特性也越来越成为研究的焦点。对膝关节结构的生物力学分析不仅可以对膝关节创伤发生的机制进行明确的阐述，而且可以指导相应疾病的治疗，使患有膝关节疾病的人能尽快康复。
1．1 有限元法在生物力学方面的应用
有限元法在生命科学的定量研究中被广泛应用，并且取得了较大的成效。尤其是在人体的生物力学研究之中，它的优越性得到了明显的显示。人类经过长期的发展进化，通过劳动等形式，其骨骼已经形成了一个几近完美的力学结构。但是在对人体的骨骼等结构进行力学方面的研究时，力学实验几乎是无法进行的。这时，有限元法就成了一种极为有效方便的研究手段。
20世纪60年代，有限元法被初步应用在了心血管系统的力学研究中。从70年代开始，有限元法开始被应用于骨科生物力学的研究，并且最初是应用于人体脊柱。80年代之后，有限元法的应用范围得到扩大，开始逐步应用于人体的其他部位的生物力学研究，如颅面骨、股骨、牙齿、颌骨、关节、腰椎、颈椎等。
1.1.1 有限元力学分析在改良器械设计方面的应用
利用有限元的生物力学分析，可以达到改良医疗器械的力学性能以及优化医疗器械设计的目的。医疗器械的力学性能好坏，往往决定了它临床应用的效果，因此，对医疗器械力学性能的评价的重要性可想而知。除了实验方法以外，利用有限元法对器械进行模拟力学实验具有时间短、费用少、力学性能测试全面、重复性好、可处理复杂条件等优点。另外，为了获得更好的临床疗效，还可以优化设计，指导对医疗器械的设计以及改进。
在固定钢板方面，跟骨骨折的治疗方法比较多。目前对发生移位的跟骨骨关节内骨折一般采取钢板固定，但是由于固定钢板的形状不相同，所以其固定效果也各不相同。刘立峰等利用有限元法，对跟骨骨折的冠状面采用H型、Y型、T型钢板固定的效果进行了研究。建立三维有限元模型模拟跟骨骨折的冠状面并且分别采取这三种不同的钢板固定方法。通过对跟骨、螺钉与钢板应力分布的研究分析可知，T型钢板的固定方式从应力分析的角度来讲，是最佳固定方式；H型钢板从骨折位移角度来分析，是最佳固定方式，但是在应力角度来讲却是三种固定方式中最差的一种。由于三种固定方法产生的骨折位移都属于小位移，但其应力分布的差异却非常之大，因此，得出的结论是，T型钢板固定对于冠状面骨折来讲，是最佳的固定方式。由此可见，利用有限元法对不同的钢板固定跟骨骨折进行对比是切实可行的，而且对医疗器械的选用也有一定的指导性意义。
随着骨牵张成骨技术的迅速发展，有限元分析在牙槽萎缩、破损治疗中的应用越来越广泛。通过骨牵张技术使萎缩的牙槽恢复到正常水平。虽然科学家们通过利用动物实验进行了大量的研究，但是动物模型与人类模型的牙槽萎缩情况有较为明显的区别。仇敏等所建立的三维下颌骨牙槽萎缩有限元模型，比较真实比较准确度额反映了下颌骨牙槽萎缩的生物力学特征。本研究采用次相应典型病例取材，建立缺牙区的下颌骨模型，可以较准确反应局部形态特征，在模型的基础上，按照给定的条件，添加或者替换单元，可以准确的分析牵张器与骨表面的应力分布情况，通过有限元分析系统对牵张器的材质、形态、长度、植入位置以及颌骨的受力特点进行分析，进一步完善和发展了牵张器技术。
1.1.2 有限元模型在力学仿真中的应用
利用有限元软件的强大的建模功能和它的借口工具，可以非常逼真的建立出三维人体骨骼、肌肉、血管等器官的组织结构模型，并且能赋予其生物力学特性。在力学仿真实验中，对模型进行了实验条件的仿真，模拟拉伸、扭转、弯曲、抗疲劳等特性等力学实验，可以很好的求解在不同的实验条件之下，任何部位的应力、应变分布、内部的能量变化以及极限破坏的情况。
杨秀萍等建立了下颌骨、邻牙、种植体以及上部构造的三维正交各向异性模型，利用有限元方法对口腔种植体上部进行受力分析。根据其应力云图，分析了单颗种植体义齿在不同牙齿尖斜度设计的条件下种植修复的影响，也验证了在临床医学中，种植修复的啮合面的牙齿尖斜度为25度是比较合适的，该项数据也为修复上部义齿牙尖斜度的合理设计提供了理论依据，极大提高了种植修复的成功率。莫水学等人在研究上颌第一磨牙牙槽骨应力分布情况时，建立了上颌第一磨牙的有限元模型。使用4种不同的方式对其进行加载，分析上颌第一磨牙远中移动时其牙槽的应力分布情况，并找出它的最佳负载方式。得出的结论是在上颌第一磨牙中心附近施加力并结合抗衡力矩可以在牙槽骨面获得平均的低压应力，它能使牙齿倾向于整体移动。
目前，有限元法在国内外已经得到了普遍的应用，并且取得了大量的成效。特别是其在临床上的应用，更是具有一定的指导意义。但是国内的有限元在生物力学中的应用与国外的应用情况相比，仍存在一定的差距。如建立的有限元模型在形态、结构上与实际的尚有一定差距；国内的生物力学材料性能测试工作不完善，建立有限元模型时，材料的性质大多数参考国外的资料。所以我们在有限元的生物力学研究中，任然需要不懈的努力，为将有限元法更好的应用于实际的临床工作中而做出一定的成绩。
1.2 髋关节有限元模型的建立
在髋关节的有限元研究中，由于人体的骨骼解剖结构是复杂而又不规则的，建模的准确性成为了骨科生物力学研究中科学家所要克服的最大难题，因此，有限元分析的最复杂的过程就是建立模型。钟世镇采用切片法首先在国内将VHP和VKH的的断层间距从0.33mm和0.2mm提高到0.1mm。较大改进了切削设备，提高了效率。标准化的选择了膝关节的标本，增加了标本的代表性。但是，由于在切割过程中，模型被破坏，致使断面很薄、厚度不一致。而且准备时间较长，误差较大，所以这种方法已经被淘汰。Kuroda采用的是激光扫描表面建模，通过激光对物体表面轮廓进行扫描，再将扫描数据输入逆向软件之中建立实体模型，之后再将数据输入有限元处理模块之中。但是这种方法测量成本太高，数据处理比较繁杂，而且只能建立表层结构，无法反映组织的内在结构特征，在医学研究中主要运用于不需要考虑内部结构的分析，例如假体模型建立、动力学分析。严世贵采用DICOM数据直接建立了髋关节假体模型来分析股骨的应力变化。DICOM医学数字图像通讯是当今医学信息系统的核心，它主要涉及医学图像的存储和通信，可以直接应用在放射学信息系统（RIS）和图像存档与通信系统（PACS）中，这几年在医学信息领域飞速发展。随着有强大的图像处理功能的有限元软件的出现，以及有限元方法与其他虚拟技术的融合，有限元模型在将来可能更加方便简单的就能产生。有限元建模技术将在今后走向智能化，网络化，集成化，并且更好的应用与临床医学。
首先，将膝关节CT图像导入Mimics软件中，并对其进行阈值分割、区域增长、蒙板编辑等生成膝关节的三维轮廓，通过该软件的Remersh模块对模型进行光滑处理。然后，以STL格式导入Geomagic软件中，对齐产生网格包裹后采用曲面功能构建膝关节的曲面模型。最后，在UG软件中，通过拉伸、建模相关功能完成膝关节实体模型的三维重建以及装配，并采用该软件对模型进行材料属性、边界条件及载荷的设置并进行有限元分析，完成了在生理载荷下膝关节的后屈、拉伸、侧弯与压缩的分析，通过相关的实验结果进行比较，验证了该模型的有效性。
关键词 膝关节，三维重建，有限元分析
1 引言 1
1．1 有限元法在生物力学方面的应用 1
1.1.1 有限元力学分析在改良器械设计方面的应用 1
1.1.2 有限元模型在力学仿真中的应用 2
1.2 髋关节有限元模型的建立 3
1.3 正常膝关节三维立体模型的建立 4
1.4 有限元法的优缺点 4
1.5 本文研究的内容 4
2 膝关节模型的三维重建 5
2.1 膝关节骨骼的三维重建 5
2.1.1 CT图像的导入 6
2.1.2 调整窗宽位置 8
2.1.3 阈值分割 9
2.1.4 区域增长 10
2.1.5 蒙板裁剪与蒙板编辑 11
2.1.6 三维重建 12
2.1.7 模型光滑 12
2.2 半月板模型的三维重建 14
2.2.1 利用Geomagic 软件构建NUBERS曲面 14
2.2.2使用UG软件构建半月板 16
3 有限元分析 17
3.1 UG预处理 18
3.1.1 材料属性设置 18
3.1.2 网格划分 18
3.2 边界条件 20
3.3 求解运行 21
3.4 结果分析 22
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
1 引言
膝关节作为人体最大、最复杂的关节，由股骨和胫骨组成，且位置位于踝关节和髋关节之间，是下肢活动最主要的关节。膝关节不属于身体中最常受伤的部位，但却可以说是最薄弱的。谈到膝关节问题要有几个概念，首先是结构，膝关节由上半部分的大腿骨即股骨和下半部分的小腿骨即胫骨组成，两骨上方还有矢状端盖骨，保护两骨的关节处以及半月板不易受到外界的损伤。在股骨和胫骨之间左右分布着两个大的软骨，分别称为内侧半月板和外侧半月板。股骨前下端有槽用于放置髌骨，能非常好的供髌骨在糟内上下移动，这些关节表面的软骨能吸收震动，承受压力，直到它们老化，出现问题。人在运动时，他的软骨组织，特别是半月板，最容易受到伤害，并且容易导致骨折。膝关节是支撑人体的一个关键部位，非常容易跌伤，不小心跌伤膝盖的可能性高达90%，所以一定要注意保护。
膝关节重要程度及相关疾病越来越多的为人们所认识，对其的研究也越来越深入。膝关节的解剖结构与其相应的生物力学特性也越来越成为研究的焦点。对膝关节结构的生物力学分析不仅可以对膝关节创伤发生的机制进行明确的阐述，而且可以指导相应疾病的治疗，使患有膝关节疾病的人能尽快康复。
1．1 有限元法在生物力学方面的应用
有限元法在生命科学的定量研究中被广泛应用，并且取得了较大的成效。尤其是在人体的生物力学研究之中，它的优越性得到了明显的显示。人类经过长期的发展进化，通过劳动等形式，其骨骼已经形成了一个几近完美的力学结构。但是在对人体的骨骼等结构进行力学方面的研究时，力学实验几乎是无法进行的。这时，有限元法就成了一种极为有效方便的研究手段。
20世纪60年代，有限元法被初步应用在了心血管系统的力学研究中。从70年代开始，有限元法开始被应用于骨科生物力学的研究，并且最初是应用于人体脊柱。80年代之后，有限元法的应用范围得到扩大，开始逐步应用于人体的其他部位的生物力学研究，如颅面骨、股骨、牙齿、颌骨、关节、腰椎、颈椎等。
1.1.1 有限元力学分析在改良器械设计方面的应用
利用有限元的生物力学分析，可以达到改良医疗器械的力学性能以及优化医疗器械设计的目的。医疗器械的力学性能好坏，往往决定了它临床应用的效果，因此，对医疗器械力学性能的评价的重要性可想而知。除了实验方法以外，利用有限元法对器械进行模拟力学实验具有时间短、费用少、力学性能测试全面、重复性好、可处理复杂条件等优点。另外，为了获得更好的临床疗效，还可以优化设计，指导对医疗器械的设计以及改进。
在固定钢板方面，跟骨骨折的治疗方法比较多。目前对发生移位的跟骨骨关节内骨折一般采取钢板固定，但是由于固定钢板的形状不相同，所以其固定效果也各不相同。刘立峰等利用有限元法，对跟骨骨折的冠状面采用H型、Y型、T型钢板固定的效果进行了研究。建立三维有限元模型模拟跟骨骨折的冠状面并且分别采取这三种不同的钢板固定方法。通过对跟骨、螺钉与钢板应力分布的研究分析可知，T型钢板的固定方式从应力分析的角度来讲，是最佳固定方式；H型钢板从骨折位移角度来分析，是最佳固定方式，但是在应力角度来讲却是三种固定方式中最差的一种。由于三种固定方法产生的骨折位移都属于小位移，但其应力分布的差异却非常之大，因此，得出的结论是，T型钢板固定对于冠状面骨折来讲，是最佳的固定方式。由此可见，利用有限元法对不同的钢板固定跟骨骨折进行对比是切实可行的，而且对医疗器械的选用也有一定的指导性意义。
随着骨牵张成骨技术的迅速发展，有限元分析在牙槽萎缩、破损治疗中的应用越来越广泛。通过骨牵张技术使萎缩的牙槽恢复到正常水平。虽然科学家们通过利用动物实验进行了大量的研究，但是动物模型与人类模型的牙槽萎缩情况有较为明显的区别。仇敏等所建立的三维下颌骨牙槽萎缩有限元模型，比较真实比较准确度额反映了下颌骨牙槽萎缩的生物力学特征。本研究采用次相应典型病例取材，建立缺牙区的下颌骨模型，可以较准确反应局部形态特征，在模型的基础上，按照给定的条件，添加或者替换单元，可以准确的分析牵张器与骨表面的应力分布情况，通过有限元分析系统对牵张器的材质、形态、长度、植入位置以及颌骨的受力特点进行分析，进一步完善和发展了牵张器技术。
1.1.2 有限元模型在力学仿真中的应用
利用有限元软件的强大的建模功能和它的借口工具，可以非常逼真的建立出三维人体骨骼、肌肉、血管等器官的组织结构模型，并且能赋予其生物力学特性。在力学仿真实验中，对模型进行了实验条件的仿真，模拟拉伸、扭转、弯曲、抗疲劳等特性等力学实验，可以很好的求解在不同的实验条件之下，任何部位的应力、应变分布、内部的能量变化以及极限破坏的情况。
杨秀萍等建立了下颌骨、邻牙、种植体以及上部构造的三维正交各向异性模型，利用有限元方法对口腔种植体上部进行受力分析。根据其应力云图，分析了单颗种植体义齿在不同牙齿尖斜度设计的条件下种植修复的影响，也验证了在临床医学中，种植修复的啮合面的牙齿尖斜度为25度是比较合适的，该项数据也为修复上部义齿牙尖斜度的合理设计提供了理论依据，极大提高了种植修复的成功率。莫水学等人在研究上颌第一磨牙牙槽骨应力分布情况时，建立了上颌第一磨牙的有限元模型。使用4种不同的方式对其进行加载，分析上颌第一磨牙远中移动时其牙槽的应力分布情况，并找出它的最佳负载方式。得出的结论是在上颌第一磨牙中心附近施加力并结合抗衡力矩可以在牙槽骨面获得平均的低压应力，它能使牙齿倾向于整体移动。
目前，有限元法在国内外已经得到了普遍的应用，并且取得了大量的成效。特别是其在临床上的应用，更是具有一定的指导意义。但是国内的有限元在生物力学中的应用与国外的应用情况相比，仍存在一定的差距。如建立的有限元模型在形态、结构上与实际的尚有一定差距；国内的生物力学材料性能测试工作不完善，建立有限元模型时，材料的性质大多数参考国外的资料。所以我们在有限元的生物力学研究中，任然需要不懈的努力，为将有限元法更好的应用于实际的临床工作中而做出一定的成绩。
1.2 髋关节有限元模型的建立
在髋关节的有限元研究中，由于人体的骨骼解剖结构是复杂而又不规则的，建模的准确性成为了骨科生物力学研究中科学家所要克服的最大难题，因此，有限元分析的最复杂的过程就是建立模型。钟世镇采用切片法首先在国内将VHP和VKH的的断层间距从0.33mm和0.2mm提高到0.1mm。较大改进了切削设备，提高了效率。标准化的选择了膝关节的标本，增加了标本的代表性。但是，由于在切割过程中，模型被破坏，致使断面很薄、厚度不一致。而且准备时间较长，误差较大，所以这种方法已经被淘汰。Kuroda采用的是激光扫描表面建模，通过激光对物体表面轮廓进行扫描，再将扫描数据输入逆向软件之中建立实体模型，之后再将数据输入有限元处理模块之中。但是这种方法测量成本太高，数据处理比较繁杂，而且只能建立表层结构，无法反映组织的内在结构特征，在医学研究中主要运用于不需要考虑内部结构的分析，例如假体模型建立、动力学分析。严世贵采用DICOM数据直接建立了髋关节假体模型来分析股骨的应力变化。DICOM医学数字图像通讯是当今医学信息系统的核心，它主要涉及医学图像的存储和通信，可以直接应用在放射学信息系统（RIS）和图像存档与通信系统（PACS）中，这几年在医学信息领域飞速发展。随着有强大的图像处理功能的有限元软件的出现，以及有限元方法与其他虚拟技术的融合，有限元模型在将来可能更加方便简单的就能产生。有限元建模技术将在今后走向智能化，网络化，集成化，并且更好的应用与临床医学。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/1986.html
