三維可視化膝關節有限元模型構建應用進展

劉強+廖琦

【中圖分類號】R318 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-6851（2017）10--01

與傳統的實驗生物力學分析相比，具有可視化、無創性等特點的理論生物力學研究方法，日漸受到學者青睞，有限元分析法便是其典型代表[1]。研究人體膝關節解剖結構和生物力學特性對于了解骨折發生機制、制定出手術規劃、術后康復和假體設計等具有重要作用。為了總結膝關節建模新思路及其有限元分析的應用現狀，展望發展方向，本文就數據獲取方法、主要相關軟件、臨床成果等方面作一綜述。

1 膝關節有限元建模

如何建立一個準確逼真的、可視化的膝關節有限元模型一直是學者們關注的焦點，是有限元生物力學分析應用于臨床實踐的基礎。

1.1 有限元法的基本原理

有限元法實質是一種離散數學計算方法，廣泛應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學、結構分析等連續性問題。它是將一個連續的由無限個質點所構成的彈性體，通過一定的數學計算法分割成為有限個體單元，利用有限元軟件在計算機中對原物體進行合成，并對幾何體定義單元類型、賦予材質，從而獲得與所模擬的實際物體相類似的材料質地、結構、物理參數和機械性能，逐步研究每個單元，最終達到對彈性體整體進行分析的目的，即基于“化整為零，集零為整”的基本思想[2]。

1.2 有限元力學分析流程

通常可分為三步驟：一、建立實物的有限元模型；二、邊界條件和激勵、求解；三、查看結果。將獲取到的膝關節原始數據導入Mimics、3D-Doctor等三維建模軟件中，建立對象的幾何模型，再導入Hypermesh、Geogamic等軟件中濾波去噪、平滑、網格化等修飾圖像，進行有限元分析前處理，然后再導入ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件中，定義單元類型、材料賦值、邊界約束及加載、求解等，在后處理器中查看結果。以上為國內大部分文獻建立膝關節有限元模型、力學分析的常規流程，部分研究者用自編軟件完成。因有限元建模的主要數據來源不同，所用軟件可自行選擇，所以目前尚無膝關節有限元分析的統一路徑，呈多樣化發展態勢。

1.2.1 數據獲取及新思路 常用的建模數據獲取方法主要有三種，即連續斷層切片法、三維激光掃描法、斷層掃描成像法。連續斷層切片法：將人尸體組織通過各種處理，使標本固定硬化并予連續切片，獲取斷面圖像，通過計算機技術整合，將二位平面信息轉換為三維體成像，獲取人的三維立體結構信息[3]。三維激光掃描法：利用三維激光掃描儀對物體進行空間三維測量、定位，獲取其表面的空間位置點云信息，再通過軟件把點云再現成三維實體數字模型。該法因需特殊的三維掃描儀器，且只能獲取表面信息，目前多用于膝關節金屬假體的有限元建模[4]。斷層掃描成像法：以計算機X線斷層掃描和核磁共振成像為代表，這兩種方法都具有無創性、數據易獲取等特點，目前應用最為廣泛。前者具有定位精確、掃描層厚薄、速度快等優點，所建模型較精準，于骨骼系統有限元建模中應用更廣泛[5]。核磁共振成像利用組織中含水率不同，即質子振動釋放信號強弱不同顯像，在軟組織顯示方面可彌補前者不足[6]。

近年來，多位研究者綜合上述多種方法的優勢，建立了更加準確可靠的有限元生物模型。如有人利用CT和MRI圖像配準融合的方法構建人體膝關節有限元模型，保證了各解剖結構的真實性，并為準確模擬膝關節生物力學特性提供了前提，是值得借鑒的建模新思路[7]。因CT和MR圖像的配準融合技術，存在數據獲取時的倫理學問題，掃描時的定位、標定，配準融合時的坐標轉換、變換矩陣、重定位等技術難點，故較少實際應用于臨床實踐。

1.2.2 重建膝關節數字化模型的常用軟件 有限元分析所涉及軟件種類繁多，可靈活選擇不同軟件的組合形式。常用軟件有：Mimics軟件是目前數字醫學領域應用最廣泛的軟件，它是模塊化結構的、交互式軟件，可以根據用戶的不同需求有不同的搭配。它具有強大的體數據瀏覽功能，可將CT或MRI掃描的二維DICOM數據導入，利用圖像分割工具提取感興趣區域，重建其三維模型，利用其測量工具進行人體解剖學分析。其自帶的MedCAD模塊，可創建基本的CAD對象，是其與醫學影像的橋梁；Simulation模塊可虛擬手術、假體植入，術前即可對手術進行預期和評估；FEA模塊是有限元分析前處理工具。

GeomagicStudio軟件是被廣泛應用的逆向軟件，可從掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換成NURBS曲面。利用該軟件對圖像進行優化處理，擬合曲面，網格劃分，消除模型中不合理的點、面，使所建立的模型更加美觀、舒適。

Hypermesh軟件是一款高性能、高質量、高效率有限元前處理器，它有高度交互的可視化平臺幫助用戶建立有限元模型；提供了廣泛的與CAD、CAE、CFD軟件接口，供用戶選擇，可以與現有大部分仿真環境無縫銜接。其強大的幾何清理能力、高質量高效率的網格技術、先進的網格變形技術，能大大提高建模的效率和質量。該軟件與Geomagic studio軟件是文獻中提及的兩款主流有限元網格優化前處理軟件。

Ansys軟件和Abaqus軟件是醫學領域應用最多的生物力學分析軟件，它們各有所長，有多模塊、涉及多領域，覆蓋了結構分析、電熱磁、流體分析等方面。Ansys軟件主要致力于線性分析[8]，后者致力于非線性力學分析，能解決結構力學分析較深層次問題。實際工作中，為了簡化計算量，通常我們會對模型作大量假設，如假設骨頭為同質、同向、線性彈性體，忽略骨皮質和松質的不同，簡要的重建膝關節的主要韌帶，只能在一定程度上模擬人體膝關節的某些機械性能、力學特征。事實上，非線性是更普遍的現象，故Abaqus軟件在生物力學研究方面的結果較前者更加真實、合理、可靠。

2 膝關節有限元生物力學分析的應用

2.1 有限元應用于膝關節損傷、退變機制研究endprint

膝關節是人體全身各骨關節中結構最大、最復雜，承受杠桿作用力最強的關節，由于其形態特征的特異性，膝關節并非非常穩定，損傷很常見。據世界衛生部統計，膝骨關節炎在40歲以上人群中總患病率為28.7%[9]，多見于中老年人，是影響中老年人生存質量的重要因素。二者是膝關節有限元應用于臨床非手術領域的主要研究方向。對膝關節的生物力學特性進行分析，不僅可以對膝關節創傷發生的機制進行明確的論述，而且可以對診斷和康復提出科學的指導和計劃；可整體上把握膝骨性關節炎的病理生理機制，更直觀的分析其易感因素[10]。多位研究者[11-13]利用膝關節有限元模型，模擬膝關節交叉韌帶及半月板損傷，分析其對膝關節應力的影響。姚杰等[14]模擬跳傘著陸過程的實驗數據，分析了跳傘員特殊人群膝關節損傷的機理。張冠軍[15]模擬現實交通事故中膝關節損傷，對研究行人下肢損傷機制及其防護方法提供了參考依據。有限元分析在研究膝關節損傷機制及關節退變、關節炎病理生理機制方面的運用，對于相關疾病的防治有積極指導作用。

2.2 有限元應用于膝關節手術領域研究

主要體現在術式選擇與手術效果評價、骨折固定器械及假體的力學研究等方面。骨折導致骨骼失去原有功能及形態，力學性能改變或消失，手術的目的是重建其解剖結構及恢復支撐功能，利用術前的三維數據重建有限元模型，并在計算機中模擬手術，進行應力分析，了解手術是否能盡可能地恢復骨骼原有力學特性，綜合評估多種可行術式的優劣點，利于建立更完善、優良的手術規劃。葉俊星[16]研究前交叉韌帶重建術后股骨隧道角度對股骨隧道壁接觸應力的影響，得出最佳股骨隧道角度為25°。劉忠堂[17]對比置換髕骨后對髕股關節生物力學的影響，認為術中可選擇性地不進行髕骨置換。對于手術所需的骨折固定器械及假體設計，既要求骨折固定切實可靠，同時應減少應力阻擋、并發術后骨質疏松風險，故適當強度的科學設計方利于患者術后康復。有限元分析法，可以對假體或植入物進行數字化模擬，定量分析應力場變化，進而優化設計方案。劉利等通過在不同工況、不同夾角情況下對相同型號配對和不同型號交叉配對的人工膝關節的對比接觸分析，研究了這兩種配對之間的應力關系，為人工膝關節相近型號交叉配對的可行性提供了參考。張緒樹通過對不同運動狀態下國產人工膝關節接觸壓力分析，認為國產人工膝關節假體符合臨床需求。

3 膝關節有限元分析存在的問題與展望

有限元分析具有可反復利用、節約成本、可操控性強、影響因素小等優點。同時，我們也應看到其不足：它只是一種數字化模擬，只能在一定程度上對解剖結構、力學特征進行仿真；目前尚無驗證膝關節模型正確性、合理性的統一標準，存在一定的主觀性或誤差。

綜上述，三維可視化膝關節有限元模型構建的數據獲取及逆向工程重建方法、途徑多樣，并隨著計算機技術和軟件工程的發展，所構建的模型日漸復雜、逼真，可一定程度上模擬真實膝關節的力學特征，為其更廣泛地應用于臨床奠定了基礎。同時，如何將其更好地與臨床相結合，實現由基礎研究向臨床應用轉化及提高轉化率，是下一個課題。

參考文獻

Author's reply to Dr Keating's invited commentary[J].Journal of orthopaedic trauma，2013，27（1）：42-42.

Baldwin MA，Langenderfer JE，Rullkoetter PJ，et al. Development of subjectspecific and statistical shape models of the knee using an efficient segmentation and mesh-morphing approach[J].Computer methods and programs in biomedicine，2010，97（3）：232-240.

趙美超，鐘世鎮等.建立數字化虛擬中國男性一號膝關節的有限元模型[J].第一軍醫大學學報，2003，23（6）：527-9.

李曉淼.全膝關節假體三維有限元模型的建立[J].中國組織工程研究與臨床康復，2011，15（13）：2304-2308.

王光達.膝關節前交叉韌帶生物力學三維有限元分析[J].中華實驗外科雜志，2013，30（4）：796-798.

Liu，X.，Zhang，M..Redistribution of knee stress using laterally wedged insole intervention：Finite element analysis of knee-ankle-foot complex[J].Clinical biomechanics，2013，28（1）：61-67.

徐志才，胡廣洪等.脛骨模型對膝關節有限元分析結果影響的探討[J].中國數字醫學，2014，9（4）：69-72.

邱奕雁，忻振凱，曲廣運等.有限元分析在膝關節翻修脛骨缺損修復中的應用[J].中華創傷骨科雜志，2013，15（1）：18-22.

李寧華，薛慶云，張毅，等.中國六城市中老年人群X線膝骨關節炎流行病學分析[J].實用醫學雜志，2008，24（16）：2887—2888.

Jones，R.K.，Nester，C.J.，Richards，J.D. et al.A comparison of the biomechanical effects of valgus knee braces and lateral wedged insoles in patients with knee osteoarthritis[J].Gait &； posture，2013，37（3）：368-372.

H R C Bao，D Zhu，H Gong et al.The effect of complete radial lateral meniscus posterior root tear on the knee contact mechanics：a finite element analysis.[J].Journal of orthopaedic science，2013，18（2）：256-263.；

Smolinski，P.，O'Farrell，M.，Bell，K. et al.Effect of ACL reconstruction tunnels on stress in the distal femur[J].Knee surgery， sports traumatology， arthroscopy，2013，21（4）：839-845.

Bae JY，Park KS，Seon JK et al.Biomechanical analysis of the effects of medial meniscectomy on degenerative osteoarthritis.[J].Medical and Biological Engineering and Computing，2012，50（1）：53-60.

姚杰，牛文鑫等.跳傘著陸過程中膝關節損傷的有限元研究[J].醫用生物力學，2010，25（4）.

張冠軍.行人膝關節有限元模型的建立與驗證[J].汽車工程，2014，36（9）：1068-1073

葉俊星.LARS人工韌帶重建膝關節交叉韌帶的基礎與臨床應用研究[D].蘇州：蘇州大學，2013

劉忠堂.全膝關節置換術中是否置換髕骨對髕股關節生物力學的影響[D].上海：上海交通大學，2010.endprint