基于CT图像构建人体膝关节生物力学模型

1、基于CT图像构建人体膝关节生物力学模型郭艳霞指导教师倪俊芳(苏州大学医学部，江苏苏州)摘要：采纳CT机对人体膝关节进行扫描，取得断层数据图像；然后采纳生物力学反求工程软件对图像进行处置和建模；最后采纳ANSYS有限元软件对所建模型在模拟真实载荷的情形下进行分析，以达到理论研究和临床应用的目的。另外该项目能够帮忙医生合理、定量地制定手术方案；同时关于选择最正确手术途径、减小手术创伤、减少对临近组织损害、执行复杂外科手术和提高手术成功率等有十分重要的意义。关键词：膝关节医学图像处置生物力学模型有限元分析1 .引言1 .课题简介膝关节是人体最重要、最复杂的一个关节，也是多发病变部位，每一年有大量的患

2、者同意人工膝关节置换术。膝关节的不规那么解剖结构、所处力学环境及其功能要求又使得采纳一样的研究手腕是很宝贵出确切的研究结果。运算机断层成像技术CT(ComputedTomography的显现，为人工膝关节的研究提供了新的手腕，本课题依照膝关节CT图像，利用生物力学反求工程软件Mimics成立的人工膝关节三维有限元模型，是对人工膝关节进行有限元分析的基础和前提，通过对该三维有限元模型运用ANSYS软件进行有限元分析，有利于对膝关节生物力学机制和膝关节应力、应变散布进行深切研究，有利于指导人工膝关节的设计和更好地分析医治各类膝关节疾病。2 .国内研究现状自从Bersler和Frankel1在195

3、0年成立了一个初期的人体膝关节生物力学模型以来，以后许多研究者已成立了各类各样的人体膝关节模型。1956年Turner等提出有限元(FiniteElement,FE)的概念以来，有限元理论及应用进展迅速。随着运算机技术的进展、三维非线性有限元软件的开发，有限元分析法由最初的简单应力分析转向和时刻有关的生物力学特性描述、理想植入假体结构设计、假体机械磨损机理及其生物学进程和病理转变的探讨等。七十年代起2,有限元即开始应用于骨科生物力学研究，最先是应用于脊柱，八十年代后，其应用范围慢慢扩展到脊椎骨、颌骨、四肢骨等骨性结构的生物力学研究上，并在牙齿及其附属结构、脊柱生物力学问题上取得了普遍应用。20

4、04年，郑淑贤网通过CT图像处置技术、反求工程技术（Geomagic反求软件）实现了残肢骨骼和皮肤软组织三维模型的重建。2006年王玮和2020年等张建宏4别离通过CT图像，借助CAD软件实现了三维建模工作。2006年，万磊等利用医学图像重建软件成立起形态学高度拟真的膝关节模型。2020年，胡辉莹等通过CT图像，应用成立了共1158085个节点、736022个单元的人体胸廓三维有限元模型。但目前国际国内的研究仍存在如下问题7:（1）成立的生物力学模型形态、结构与人体实际尚有差距，许多有限元模型仍为二维平面模型；（2）成立的模型材料性质多为参考国外文献，与国内实际存在不同，国内单独开展的生物材料

5、性能测试工作欠缺；（3）许多研究仍停留在结构静力分析状态，对各类结构动力学、流体力学、热力学及力热耦合场研究较少；（4）用CAD软件等构建的三维模型较粗糙，不符合人体膝关节的在体情形。3 .我的工作在前人的基础上，采纳CT机对人体膝关节进行扫描，取得断层数据图像；然后采纳生物力学反求工程软件Mimics对图像进行处置和三维建模；最后采纳ANSYS有限元软件对所建模型在模拟真实载荷的情形下进行分析，以达到理论研究和临床应用的目的。2 .膝关节解剖结构膝关节（KneeJoint）是连接大腿和小腿的滑膜关节，是人体最完善最复杂的关节。它的完善在于膝关节不仅具有股骨远端，胫骨近端和蹊骨这些要紧的骨性结

6、构组成部份，而且还具有半月板、韧带、滑囊和脂肪垫等辅助结构，如图1所示。人体膝关节复杂性在于股骨和胫骨之间不是银链连接，而是完全分离的，膝关节的运动主若是通过膝关节的辅助结构(半月板、韧带等)将股骨和胫骨之间连接成滑膜关节(关节面、关节腔、关节囊)。(2)膝关节后面观(1)膝关节前面观图1膝关节解剖图三,生物力学模型1 .生物力学(Biomechanics)生物力学网是应使劲学原理和方式对生物体中的力学问题进行定量研究，是生物物理学的分支。研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描述物性的本构方程。依研究对象的不同可分为：生物流体力学、

7、生物固体力学、和运动生物力学等。2 .生物力学模型生物力学模型是指有必然的数学关系式组成，是能够知足一些平稳方程的物理定理，可分为现象模型和解剖模型。现象模型没有考虑膝关节的真实结构，解剖模型那么是考虑了形成膝关节各部份的解剖结构。解剖模型又可分成静力及准静力模型、动力学模型和运动模型。3 .构建膝关节生物力学(1)建模方式从高精度的CT图片动身，利用反求工程软件Mimics成立膝关节生物力学模型。(2)建模进程.导入CT图片：由于Mimics软件对BMP格式的CT图片是半自动识别，因此，需要对导入其中的图片设置视图方向，如图2所示，左上角为冠状图，左下角为矢装图，右边为轴状图。图2导入CT图

8、片.阈值分割：由于肌肉组织和骨骼具有不同的密度，在CT图片上表现为不同的颜色，因此需要利用阈值分割法使得骨骼和肌肉分割，如图3所示图3阈值分割.空洞填补：由于在扫描进程中会夹入各类噪声，使得骨骼部份某些信息丢失，故需要对其填充，为成立完整的三维实体模型做预备，如图4所示。图4空洞填补.区域增加：在阈值设置中显示的骨组织中再概念骨骼热区，即建模的感如图爱好区，能够撇开仪器台面和其他如缝合针等带来的干扰，将以黄色显示,5所示。图5区域增加(3)建模结果(1)正面观(2)侧面观(3)上面观(4)后面观图6成立高度拟真的全膝关节三维模型4 .有限元分析膝关节生物力学的分析要紧确实是应用有限元的方式分析

9、膝关节的受力情形。有限元法9,10(FiMteElement,FE)是将研究对象离散成有限个按必然方式彼此联结在一路的单元，对每一个小单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方式组合成一个与原有系统近似的系统(大体思想：化整为零，集零为整)。膝关节有限元模型是基于有限元素法成立的能够对模型的各个组成部份给予材料属性、施加边界条件和设定工况并可进行相关分析的三维模型。本课题选用的有限元分析软件为ANSYSo将上述利用生物力学反求工程Mimics软件成立的全膝关节三维模型导入到7所示。ANSYS中，通过概念单元属性、划分体网格生成有限元模型，如图kr.riDXJibncdiuJ.图7全膝关节有限元模

10、型5 .结论本课题研究价值在于利用健康成人的膝关节CT及MR数据，数据来源简单，且不损坏模型。目前的螺旋CT与核磁共振的图像分辨率完全能够达到建模要求。重建三维有限元模型，最大限度的接近于真实膝关节解剖结构。传统的生物力学分析方式多利用尸身或动物膝关节利用专用的生物力学分析仪器，完成对韧带整体的力学性质的分析，或运用光弹性分析仪器通过观看韧带表面转变来计算韧带的应力散布，无法完整的取得韧带内部的应力散布。而运用三维有限元法进行生物力学分析，能够取得膝关节任意部位的应力和位移情形，幸免了由于尸身资源紧张和费用的缘故带来的问题，有效、简单、快捷、误差小。将CT图像导入运算机，利用生物力学反求软件M

11、imics,生成了高度拟真的全膝关节有限元三维模型。该模型整体滑腻，在软件中能够旋转，能够加载分析受力单元，符合人体在体情形，关于减小手术创伤、减少对临近组织损害、执行复杂外科手术和提高手术成功率、成功有效地假肢移植等有十分重要的意义。参考文献1汪强，孙俊英，赖震.膝关节三维有限元模型的成立J.山西医药杂志，2007,36(3):210-2122陈琼.三维有限元建模方式的研究现状J.口腔医学，2006,26(2):154-1553郑淑贤，赵万华，卢秉恒.基于反求工程的个性化残肢重建方式的研究J.机械工程学报，2004,40(7):128-1314张建宏.基于CT图像的人工膝关节三维有限元模型构

12、建J.扬州职业大学学报，2020,12(3):23-265万磊，李义凯，原林.基于中国数字人CT数据重建膝关节有限元模型J.中国骨与关节损伤杂志，2006,21(4):271-2736胡辉莹，何忠杰，吕丽萍.应用Mimics软件辅助重建人体胸廓三维有限元模型的研究J.解放军医学杂志，2020,33(3):273-2757陈灼斌，万磊.医学有限元的建模方式J.中国组织工程研究与临床康复，2007,11(31):6265-62678郭松青.基于CT图像成立人体足部骨骼三维有限元模型的研究D.合肥工业大学硕士学位论文，20069彭睿.行人在汽车碰撞事故中下肢骨折的有限元仿真研究D.湖南大学硕士学位论

13、文，200610王万春.膝关节三维有限元分析J.国际骨科学杂志，2006,27(2):103-105跋文为期一年的苕政研修即将画上句号，回顾望去，研修中的点点滴滴都很是宝贵，我的大学生涯在苕政基金这艘科研与知识的巨轮的承载下驶向远方。从幸运入选2020年度苏州大学苕政学者以来，跨学科课题的研究让我极大程度地开阔了眼界。从单纯人体解剖学和机械力学分析到人体关节的三维生物力学分析，从简单的现象模型到复杂的动力学研究让我收成颇多。这不单单是知识领域的扩充，更是思维方式的拓展。研修进程的每一个环节都将成为我扬帆启航的动力。最后，要衷心地道一声感激。感激李政道先生及亲属的慷慨赞助，李教授的殷切期望时刻鼓励我向科研领域慢慢迈进。感激