基于动态三维运动模型的股关节准运动轨迹和关节旋转轴的重建

基于动态三维运动模型的股关节准运动轨迹和关节旋转轴的重建

三股关节疾病是临床上常见的临床疾病。目前，常用的治疗方法如“松解外侧支持、紧张内侧支持、胫骨结节波动”，仍然很难获得令人满意的长期效果。膝关节置换术后，大腿关节的并发症可达41%。1材料和方法1.1研究主题选择1名健康成年男性,年龄30岁,体重65kg,身高172cm,身体质量指数21.97kg/m1.2mr图像扫描和提取1.2.1扫描膝关节正确位置为构建完整屈膝过程的三维模型,从膝关节伸直位到最大屈曲位之间选择0°、30°、60°、90°和120°5个屈膝角度分别进行MRI扫描。扫面仪为德国西门子(MAGNETOMVerio)3.0T磁共振扫描仪。受试者采用侧卧位,右侧肢体在下,使用非磁性支具固定膝关节于相应屈膝角度,柔性线圈固定在支具外侧,扫描时尽量使右膝关节接近磁场中心。扫描参数如下:场强3.0T,视野(180×180)mm1.2.2骨-胫骨海表区域划分将MR扫描所获取的5个角度影像资料以Dicom格式分别导入Mimics软件(Materialise,Inc.Belgium)中,采用专门针对MR图像进行区域划分的3Dlivewire功能进行骨与软组织的轮廓勾画。选择髌骨和股骨的骨性结构,在冠状位和轴位视图上进行适当的livewire分割后即可在矢状位上显示出所需要的目标轮廓。因为矢状位为MR扫描相,故应充分利用矢状位视图进行精细的区域分割。完成轮廓分割后进行3D计算即可生成相应屈膝角度的三维模型,根据模型和解剖结构可再次对所分割的轮廓进行必要的调整,使用remesh功能可以对三维实体模型进行表面光顺、减少三角形等运算,最终得到经过优化后的模型,以STL格式保存。1.3维坐标系配准将上述5个STL格式的静态模型导入逆向工程软件Rapidform(INUSTechnology,Inc.Korea)中进行同一三维坐标系的配准,即将股骨长轴设为Z轴,将股骨后髁线所在直线设为X轴,垂直于这两条轴线的直线设为Y轴。考虑到在不同屈膝角度情况下软骨组织的形变有所不同,而骨组织的形变较少,所以采用骨性结构进行配准。通过三维坐标配准技术使5个屈膝角度下的股骨模型相互重合,从而得到髌骨在0°、30°、60°、90°、120°屈膝角度下静态模型的集合(图2)。利用上述5个静态角度的分点模型,采用三次样条插值算法1.4模型验证为了验证模型的准确性,将所得髌骨运动学数据与既往文献中在体试验的结果进行对比1.5旋转轴以外的点的距离髌股关节旋转轴是指在屈膝过程中到髌骨运动轨迹的距离保持相对恒定的轴线,而旋转轴以外的点到运动轨迹的距离则会在屈膝过程中发生相应的变化,根据这一原理。在RapidForm软件中,将股骨的曲面片模型转化为点云模型2结果2.1骨运动轨迹的计算本研究通过静态MR扫描和Mimics软件分割、3D计算等操作过程,成功重建了五个髌股关节静态三维模型。将所建五个静态模型在RapidForm软件中进行配准,采用三次样条插值算法成功计算出髌骨运动轨迹。从伸直位到最大屈膝角度,随着屈膝角度的加深,髌骨将不断俯屈,即髌骨纵轴与Z轴的夹角将不断增加;同时,髌骨横轴与X轴的夹角增加,即屈膝过程中髌骨将轻度向外倾斜;在髌骨不断俯屈、倾斜的同时,髌骨下极由内向外轻度旋转。由此可知,髌骨并不是只在单纯矢状面上的俯屈运动,而是在三个坐标轴六个自由度上的运动。已知整个屈膝过程中髌骨运动轨迹,将股骨看作静止参照系,在三维模型中髌骨相对于股骨的运动过程即构成了髌股关节准动态三维运动模型。2.2模型验证经过对比,本研究计算出的髌骨运动轨迹与既往文献2.3股关节旋转轴的计算利用所建髌股关节运动模型和髌骨运动轨迹,在三维坐标系中采用云点法,利用股骨云点结构的坐标,找出在屈膝过程中到髌骨运动轨迹所在垂线的距离相对恒定的点所在区间,该区间位于股骨后髁范围内,即认为髌股关节旋转轴即在该区间内,并取区间中股骨髁最内和最外的两点连线作为近似旋转轴,得出髌股关节旋转轴位于股骨通髁线附近。3本研究结果的分析随着计算机辅助手术技术的发展,准确的三维重建是术前设计及手术模拟的重要保证,能够帮助手术医师准确地判断病理变化、规划手术方法、模拟手术结果,达到更加精确、个性化的手术要求既往所构建的膝关节模型大都是静态模型,且图像资料采集过程中存在大量辐射伤害,建模程序复杂,针对这些不足,本研究创立了一种基于静态MRI扫描构建髌股关节准动态三维运动模型的方法,能够快速、准确、无辐射地构建髌股关节运动模型。所建模型在Mimics、RapidForm等软件中可以从不同角度直观地查看和测量,也可以导入ABAQUS、ANSYS等有限元软件中进行相关的力学分析,比既往文献中所建的单角度静态模型有了很大的进步。本研究中样本的年龄30岁、身高172cm、体重65kg、都在以往文献的范围内:年龄(26.7±8.8)岁,体重(67.5±12.7)kg,身高(172.3±7.5)cm,通过对比,本研究结果中髌骨运动轨迹在以往文献的标准差范围之内,而两者之间的差异可能由于样本差异、坐标配置、负重情况等原因导致的。髌骨脱位时屈膝过程中髌骨会偏向滑车外侧,高位髌骨时髌骨进入滑车沟较慢,这些病理状态下的髌骨轨迹与本研究中正常样本的髌骨轨迹显然是不同的,所以将髌骨轨迹作为判断髌股关节病理状态是科学、可行的。因为髌骨的运动轨迹是三个平面六个自由度上变化的曲线,所以并不存在一条直线旋转轴,而是应该波动在某一区间内,本研究表明髌股关节旋转轴波动在股骨后髁范围内,与既往文献的结果也是一致的本研究也存在一些局限和不足:(1)本研究主要研究在体髌股关节准动态模型的构建,并以此模型计算出髌股关节旋转轴,尽管据此所计算出的髌骨轨迹和髌股关节旋转轴符合既往文献的验证结果,但仍需要更多的样本量支持;(2)模型构建过程中对建模人员有一定的技术要求,利用软件求解髌股关节旋转轴时也需要一定的学习周期;(3)本样本只选择了一例健康成年男性进行研究,对于髌股关节排列紊乱的情况下髌骨轨迹、旋转轴等情况需要