基于CT图像构建人体膝关节生物力学模型精选.docx

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：采用CT机对人体膝关节进行扫描，获得断层数据图像；然后采用生 物力学反求工程软件对图像进行处理和建模；最后采用ANSYS有限元软件对所 建模型在模拟真实载荷的情况下进行分析，以达到理论研究和临床应用的目的 此外该项目可以帮助医生合理、定量地制定手术方案；同时对于选择最佳手术路 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：膝关节医学图像处理生物力学模型有限元分析一. 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，每年有大量 的患者接受人工膝关节置换术膝关节的不规则解剖结构、所处力学环境及其功 能要求又使得采用一般的研究手段是很难得出确切的研究结果计算机断层成像 技术CT (Computed Tomography)的出现，为人工膝关节的研究提供了新的手段, 本课题根据膝关节CT图像，利用生物力学反求工程软件Mimics建立的人工膝 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、应变分布进行深入研究，有利于指导人工膝关节的设计和更好 地分析治疗各种膝关节疾病。

2. 国内研究现状自从Bersler和Frankel⑴在1950年建立了 一个早期的人体膝关节生物力学模 型以来，之后许多研究者已建立了各种各样的人体膝关节模型1956年Turner等提出有限元(Finite Element, FE)的概念以来，有限元理 论及应用发展迅速随着计算机技术的发展、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间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过程和病理变化的探讨等七十 年代起［2】，有限元即开始应用于骨科生物力学研究，最早是应用于脊柱，八十年 代后，其应用范围逐渐扩展到脊椎骨、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得到了广泛应用2004年，郑淑贤⑶通过CT图像处理技术、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2008年等 张建宏⑷分别通过CT图像，借助CAD软件实现了三维建模工作2006年，万 磊⑸等使用MimicsS.l医学图像重建软件建立起形态学高度拟真的膝关节模型 2008年，胡辉莹等通过CT图像，应用Mimics 10.1建立了共1 158 085个节点、 736 022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⑺：（1）建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）建立的模型 材料性质多为参考国外文献，与国内实际存在差别，国内单独开展的生物材料性 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况3•我的工作在前人的基础上，采用CT机对人体膝关节进行扫描，获得断层数据图像； 然后采用生物力学反求工程软件Mimics对图像进行处理和三维建模；最后采用 ANSYS有限元软件对所建模型在模拟真实载荷的情况下进行分析，以达到理论 研究和临床应用的目的二. 膝关节解剖结构膝关节（Knee Joint）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，胫骨近端和韻骨这些主要的骨 性结构组成部分，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较链连接，而是完全分离的，膝关节的运动主要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）。

1）膝关节前面观（2）膝关节后面观图1膝关节解剖图三. 生物力学模型1. 生物力学（Biomechanics）生物力学［8】是应用力学原理和方法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写物性的本构方程依研 究对象的不同可分为：生物流体力学、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一定的数学关系式组成，是能够满足一些平衡方程的物 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 剖模型则是考虑了形成膝关节各部分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）建模方法从高精度的CT图片出发，利用反求工程软件Mimics建立膝关节生物力学 模型2）建模过程① .导入CT图片：由于Mimics软件对BMP格式的CT图片是半自动识别，所以，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，右侧为轴状图图2导入CT图片② •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，所以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③ .空洞填补：由于在扫描过程中会夹入各种噪声，使得骨骼部分某些信息 丢失，故需要对其填充，为建立完整的三维实体模型做准备，如图4所示145.00图4空洞填补④ .区域增长：在阈值设置中显示的骨组织中再定义骨骼热区，即建模的感 兴趣区，可以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，如图 5所示R179.0127prget: Pl Leave Original Mask:⑨ VNew Mask> | v 0 Multiple Layer [ q°se ]Source:— 匚If> IHHbuk ar-/ 128.5图5区域增长（3）建模结果(1)正面观(2)侧面观(3)上面观(4)后面观图6建立高度拟真的全膝关节三维模型四•有限元分析膝关节生物力学的分析主要就是应用有限元的方法分析膝关节的受力情况 有限元法Bi® (Finite Element, FE)是将研究对象离散成有限个按一定方式相互 联结在一起的单元，对每个小单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法组 合成一个与原有系统近似的系统(基本思想：化整为零，集零为整)膝关节有 限元模型是基于有限元素法建立的可以对模型的各个组成部分赋予材料属性、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软件建立的全膝关节三维模型导入到ANSYS中，经过定义单元属性、划分体网格生成有限元模型，如图7所示图7全膝关节有限元模型五.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可以达到建模要求 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 分析方法多使用尸体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察韧带表面变化来计算韧带 的应力分布，无法完整的得到韧带内部的应力分布而运用三维有限元法进行生 物力学分析，可以得到膝关节任意部位的应力以及位移情况，避免了由于尸体资 源紧张和费用的原因带来的问题，实用、简单、快捷、误差小将CT图像导入计算机，利用生物力学反求软件Mimics,生成了高度拟真的 全膝关节有限元三维模型该模型整体光滑，在软件中可以旋转，可以加载分析 受力单元，符合人体在体情况，对于减小手术创伤、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建立[J].山西医药杂志，2007,36 (3)： 210-212⑵陈琼.三维有限元建模方法的研究现状[J]. 口腔医学，2006, 26 (2)： 154-155⑶ 郑淑贤，赵万华，卢秉恒.基于反求工程的个性化残肢重建方法的研究[J].机 械工程学报，2004, 40 (7)： 128-131[4] 张建宏.基于CT图像的人工膝关节三维有限元模型构建[J].扬州职业大学学 报，2008, 12 (3)： 23-26⑸ 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)： 271-273[6] 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,2008, 33 (3) :273-275[7] 陈灼斌，万磊•医学有限元的建模方法[J].中国组织工程研究与临床康复，2007, 11 (31)： 6265-6267⑻ 郭松青.基于CT图像建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，2006[9]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 学位论文，2006[10]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后记为期一年的着政研修即将画上句号，回首望去，研修中的点点滴滴都颇为珍 贵，我的大学生涯在著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2009年度苏州大学著政学者以来，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获颇多这不仅仅是知识 领域的扩充，更是思维方式的拓展研修过程的每个环节都将成为我扬帆启航的 动力最后，要衷心地道一声感谢感谢李政道先生及亲属的慷慨赞助，李教授的 殷切期望时刻激励我向科研领域逐步迈进感谢著政管理委员会的各位老师的辛 勤付出感谢我的导师——机电学院倪俊芳教授一年来的谆谆教导和悉心关怀， 老师严谨的科研态度和独特的人格魅力让我学到很多感谢陪伴我一路走来的各 位师兄师姐们愿着政精神激励更多人！作者简介郭艳霞，女，山西朔州人，医学部07级临床二班学生，中共预备党员，曾任班 级生活委员、五乐天音乐社秘书部部长曾获校三好学生、部级优秀团员，曾获 苏州大学人民综合一等奖学金、“卫材”奖学金、朱敬文奖学金等。