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《航天醫學與醫學工程雜志》2014年第三期

1方法

1．1三維重建1)CT影像重建:將以上CT信息經Import(導入)Mimics，生成Mask(蒙板)，再經Threshold(閾值分割)、RegionGrowing(區域增長)、Editing-Masks(蒙板編輯)、Calculate-3D(模型運算)建立下肢全長，股骨、髕骨、脛骨三維雛型［2］，作為下一波測量分析的儲備。2)MR影像重建:基本步驟同上，但側重于EditingMasks，以便手工分割出灰度值相差不大的膝關節內外側韌帶［4］，作為下一波測量分析的儲備。3)二模融合:雖然CT和MR掃描針對同一個體，但兩機不可能同時同層面掃描，獲得的掃描參數(層厚、分辨率及空間坐標等)不一樣，因此，本研究計劃參照我們的前期研究成果“9點3面方案”配準原理［7-8］，在MR重建的韌帶模型選擇明顯的標志點，以便利用這些標志點進行配準并融合到CT重建的骨骼模型中，繼而建立包含股骨、脛骨和髕骨以及兩側韌帶的膝關節個性化生物模型。

1．2解剖學測量以逆向軟件分別測量模型中的下肢機械軸、股骨解剖軸、脛骨解剖軸、股骨外旋角、脛骨平臺后傾角等解剖學數據。

1．3運動學分析將重建出來的所有上述幾何體導入ANSYSWorkbench，進行網格劃分(材料賦值如表1)，施加載荷，最后從等效應力(equivalentstress)和等效應變(equivalentelasticstrain)云圖中提取最大值以逐一分析膝關節的主要運動力學特征。

2結果

CT數據被輸入Mimics后，把Threshold閾值設置為標準的成人骨質范圍226～1778HU［6］;RegionGrowing對初步閾值分割蒙板上彼此不相連接的分割區域進一步細分亞組，提取出股骨、脛骨部分;EditingMasks對蒙板分割修補、去除干擾、修補漏洞。之后的Calculate結果高亮顯示骨骼與周圍組織界限清晰如圖1(a)所示。至于計算機輔佐下的MR影像，因各種組織灰度值相差不大，尤其是韌帶自動分割圖像困難，Editingmasks［6］手工分割成為首選，結果分辨出膝關節諸如內外側韌帶等附件［1］的2D影像如圖1(b)的偽彩染色帶。啟動逆向軟件Mimics的測量模塊分別檢測:股骨、脛骨解剖學軸線、下肢機械軸線及其兩者夾角，股骨前緣厚度、內外髁寬度、內外髁連線及其與后髁連線的夾角，股骨內外髁的寬度，脛骨關節面的前后徑與橫徑間距、脛骨后傾角等參數如圖2。啟動Workbench的Generate指令生成有限元分析模型如圖3(a)所示，經除噪、過濾、光順、拋光、網格化等處理后如圖3(b)所示，對骨骼、韌帶、假體等結構賦值(包括彈性模量和泊松比)如圖3(c)所示，分別向股骨加載280N壓力、股四頭肌800N拉力后的靜力、方向和形變如圖3(d)所示。

3討論

由于CT對骨性結構顯示清楚，但對軟組織顯示受限;MR掃描軟組織成像清晰，清楚顯示關節軟骨、半月板、韌帶等結構，所以本實驗分別以CT掃描膝關節骨組織、以MR掃取軟組織數據。把CT、MR掃描的二維斷層輸入到Mimics后，經過圖像分割提取區域，并對快速滿足膝關節運動學分析的需要。以上重建的解剖結構顯示，凸起的股骨關節面和凹陷的脛骨關節面彼此吻合，使膝關節得以在矢狀面上伸屈(約135°的屈曲和5～10°的過伸范圍)、前后移位，并可在冠狀面上內外移位、內收外展;外側脛骨關節面的特征性凹陷決定了外重建起來的模型進行不同角度觀察如圖4，以側脛股關節面并非完全吻合，從而允許膝關節在水平面上內外旋(約3°)、上下移位。不完全屬于鉸鏈形態的屈伸功能在運動中發揮著重要作用。如圖5所示，相對于脛骨，它有滑動和滾動兩種形式。單純的鉸鏈設計無法達成膝關節運動，通過骨性結構、半月板、關節囊及附屬韌帶的共同作用，才能保持膝關節的動態穩定。內側副韌帶控制脛骨在股骨上的外旋，外側副韌帶、股二頭肌、髂脛束共同維持外側結構的穩定，前、后交叉韌帶更是維持膝關節最堅強的韌帶。

為了簡化實驗過程，我們忽略膝關節運動的支變力學、軟骨和半月板的變化，針對膝關節屈伸位姿的受力作有限元分析，發現膝關節負荷表現為脛股關節之間的壓應力，其力度隨步態和運動進程而變化。當兩腿直立時，沒有產生彎曲力矩和肌力，兩膝分別承受膝關節以上體重的一半(約為體重的0．43倍)，受力方向平行于下肢機械軸;當平地步行時，重力、髕韌帶拉力、股脛關節壓力等三者合力構成膝關節的承載負荷可達體重的3．02倍，登樓梯時則可達4．25倍［10］;當單腿站立時，身體重力位于膝內側，負重之腿向外側傾斜、股骨傾向脛骨內髁以維持身體平衡，如果力量失衡就會造成脛骨內外髁受力不均甚至膝關節內外翻。由于膝關節是復雜結構的力學單元，股脛關節、內外側副韌帶和伸膝裝置并不代表全部，故不能保證結論絕對準確，改進這一短處可望在后續研究中減少實驗誤差。

4結論

本研究對膝關節的三維結構作出重建，并以有限元實驗從運動力學角度分析了人體在生理負荷條件下的運動力學特征。建立在這種模型重塑基礎上的結構分析可以較充分闡述膝關節的運動力學特征。

作者：彭鳒僑張占磊鐘世鎮白波單位：廣州醫科大學附屬第一醫院廣東省矯形植入骨科重點實驗室南方醫科大學臨床解剖學研究所解放軍醫學生物力學重點實驗室