磁共振膝關節有限元模型的構建研究

奇勒莫格 趙 騫 何 穎 王斯若 胡曉娟 楊 峰

沈陽醫學院附屬中心醫院，遼寧 沈陽 110024

*通訊作者：楊峰 E-mail：500289526144@qq.com

磁共振膝關節有限元模型的構建研究

奇勒莫格 趙 騫 何 穎 王斯若 胡曉娟 楊 峰*

沈陽醫學院附屬中心醫院，遼寧 沈陽 110024

*通訊作者：楊峰 E-mail：500289526144@qq.com

目的分析基于磁共振膝關節影像，建立有限元模型的方法。

膝關節； 磁共振；有限元模型； 構建

在全身中，膝關節結構比較大，并且較為復雜，杠桿作用力比較強，但是，膝關節形態特征使得它缺乏穩定性，在臨床中，膝關節損傷比較常見。在膝關節功能方面，韌帶、半月板發揮較大的作用，在生物學研究中，韌帶、半月板一直是研究的熱點。在三維結構力學中，有限元分析具有自身的優勢，但是，國內在膝關節三維重建方面研究比較少［1］。本次研究主要是應用磁共振建立膝關節有限元模型，有助于生物學研究。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇正常男性患者1例，進行X線檢查，將相關的疾病排除。在掃描膝關節時，應用1.5TMRI，獲得相應的資料。配備有限元分析軟件。

1.2 方法

對志愿者進行掃描，應用1.5TMRI，獲得連續矢狀面圖像，層厚1.5 mm。在工作站電腦中，將圖像文件導入，導入形式是Dicom。利用3D—Doctor軟件，對質子密度加權像，采用的邊界為：（1）半月板邊界，（2）脛骨邊界，（3）股骨邊界；對三維毀損梯度回波3D—SPGR加權像，采用的是軟骨層邊界［2］。對每層圖像，需要進行繪制，成為點陣圖，然后實行數字化，取得相應層面的空間坐標。在ANSYS軟件系統中，導入數據，結合相關的建模方法，建立三維空間模型。

XY平面是膝關節矢狀面，X軸是前后方向，Y軸是上下方向，Z軸和XY平面相垂直，方向是膝關節內側至外側，也就是進行MRI掃描，層距與層厚之和。層數共為60層，在建立Z軸方向時，主要是結合實際的情況建立。每層的相關節點需要進行連接，最后形成幾何模型。應用ANSYS系統，重建膝關節組成部分，并進行網格化。

2 結果

根據膝關節磁共振加權像，結合相關的建模方式，對膝關節股骨-半月板-脛骨復合體的三維有限元模型進行重建。

3 討論

3.1 在骨科領域有限元的應用

標本試驗具有一定的局限性，有限元分析主要是控制實驗條件，對體內力學情況進行模擬。有限元分析在研究骨關節形態、結構方面具有很大的優勢，在臨床模擬中具有很大的真實性。有限元分析在組織器官力學特性分析方面應用較廣，但是對于膝關節的研究相對較少。

3.2 磁共振建立膝關節有限元模型的優點

Bendjaballah等人在膝關節研究方面，應用CT進行數字化測量，并建立有限元模型，但是，CT在軟組織成像方面受到限制，對軟骨應力變化不能進行分析，在軟組織如半月板等方面建模不滿意。進行MRI掃描，軟組織成像比較清晰，能夠獲得多層面的數據，并獲取三維圖像，利用有限元方法，能夠獲得各部分的結構，對膝關節生物力學可以進行分析。在本次研究中，對膝關節進行MRI圖像分析，融合加權像圖像，結合MRI在軟組織成像方面的技術優點，所建立的三維模型能夠反映膝關節的特點，在有限元仿真計算中可以直接的應用，建立的模型和實際情況相似度較高，在結構方面，展示三維模型的優勢，避開二維模型的缺陷。在建構幾何體方面，比較客觀，膝關節結構得以真實的反映，生物學屬性展現比較真實，有助于分析膝關節的模型。建構有限元模型，在骨關節損傷診治方面具有一定的優勢［3］。

3.3 磁共振儀器改進

在本次研究中，應用的MRI儀器是1.5T超導型MR機，現階段，在臨床應用中，開始應用3TMR。和1.5TMR相比，3T圖像像素顆粒比較小，圖像清晰度更高，更為細膩，分解更加清晰，在細小解剖結構方面具有很強的空間分辨能力。3T圖像優勢主要是因為場強高，梯度場較高，切換率比較高，提高信噪比以及空間分辨的能力，所以，在膝關節建構模型方面，3TMR將會更加真實。

總之，在進行膝關節模型建構時，應用磁共振掃描，建構有限元模型，膝關節結構反映更加真實，能夠真實的模擬半月板情況，值得臨床推廣。

［1］侯波， 王毅， 沈宇輝． 膝關節動態有限元模型的力學分析［J］．中國組織工程研究，2013，17（22）：3998．

［2］韓剛， 裴曉東．全膝關節置換術研究進展［J］．中國現代醫生，2013，51（17）：15-16．

［3］劉曉敏． 基于MRI圖像膝關節有限元模型的建立［J］．中國中西醫結合影像學雜志，2012，10（3）：237．

R687.4

B

1674-9316（2014）06-0029-02

10.3969/J.ISSN.1674-9316.2014.06.016

沈陽醫學院科技基金

方法結合MR掃描圖像，借助于圖像處理技術，利用轉換技術，應用有限元程序，建立膝關節有限元模型。

結果根據膝關節磁共振加權像，結合相關的建模方式，對膝關節有限元模型進行重建。模型主要是包括以下幾個部分：1內側和外側的半月板，2脛骨軟骨層，3股骨軟骨層，4股骨下段，5脛骨上段，模型位置形態較為真實。

結論在進行膝關節模型建構時，應用磁共振掃描，建構有限元模型，膝關節結構反映更加真實，能夠真實的模擬半月板情況，值得臨床推廣。