膝關(guān)節(jié)斷層影像解剖學(xué)研究及有限元建模的探索.pdf

1、目的和意義：
　　 膝關(guān)節(jié)是人體最大、最復(fù)雜且最易受損傷的負(fù)重關(guān)節(jié)。由于膝關(guān)節(jié)的復(fù)雜解剖構(gòu)造及多軸化的運動方式,致膝關(guān)節(jié)損傷和疾患的發(fā)病率較高。目前對膝關(guān)節(jié)疾病的診斷主要是借助影像學(xué)手段。但由于膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,常規(guī)X線平片、軸位斷面計算機斷層掃描(Computerized tomography,CT)圖像及核磁共振成像(Magneticresonance imaging,MRI)掃描在準(zhǔn)確客觀的評價診斷膝關(guān)節(jié)疾病中各有其

2、優(yōu)缺點,然而,作為CT、MRI診斷基礎(chǔ)的膝部斷層解剖學(xué)研究報道卻較少,缺乏相應(yīng)的解剖數(shù)據(jù)。膝關(guān)節(jié)的三維重建及可視化研究對解剖學(xué)和臨床診療均具有重要意義。膝關(guān)節(jié)有限元模型是基于有限元法建立的對模型的各個組成部分賦予材料性質(zhì)、施加邊界條件及設(shè)定的膝關(guān)節(jié)三維模型,通過賦予膝關(guān)節(jié)模型不同組織相應(yīng)的材料學(xué)性質(zhì),利用有限元分析軟件的強大功能可以進行結(jié)構(gòu)的有限元分析,模擬膝關(guān)節(jié)各部分在各種負(fù)載條件下的應(yīng)力分布和變化,從而進一步了解膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性

3、。本研究利用膝關(guān)節(jié)橫、矢、冠三維斷面標(biāo)本和MRI三維斷面圖像,對膝關(guān)節(jié)及相關(guān)形態(tài)結(jié)構(gòu)(如半月板、交叉韌帶等)進行觀測,以期為臨床膝關(guān)節(jié)疾病的診療提供更為直觀和真實的形態(tài)學(xué)依據(jù);同時應(yīng)用活體膝關(guān)節(jié)薄層MRI斷層影像資料,通過三維重建軟件建立膝關(guān)節(jié)可視化數(shù)字模型,并在此基礎(chǔ)上建立膝關(guān)節(jié)有限元模型。通過對膝關(guān)節(jié)的三維建模,擬探索膝關(guān)節(jié)三維有限元模型建立的方法,為進一步行膝關(guān)節(jié)有限元分析及虛擬手術(shù)奠定基礎(chǔ)。
　　 材料與方法：
　

4、　 1.利用27例膝關(guān)節(jié)斷面解剖標(biāo)本,從橫、矢、冠狀斷面三維角度觀測膝關(guān)節(jié)及周圍結(jié)構(gòu)的斷面形態(tài)特征和變化規(guī)律,并對其進行定量分析。
　　 2.選取正常成人活體膝關(guān)節(jié)100例MRI薄層掃描圖像資料,從三維角度觀測膝關(guān)節(jié)及周圍結(jié)構(gòu)的斷面形態(tài)特征和變化規(guī)律,并對其進行定量分析。
　　 3.選用1例志愿者的右側(cè)膝關(guān)節(jié)MRI掃描數(shù)據(jù),采集二維圖像數(shù)據(jù),利用Materialise公司的交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)(Materialise

5、'sInteractive Medical Image Control System,Mimics)10.0醫(yī)學(xué)三維重建軟件,重建膝關(guān)節(jié)的三維模型;并將三維可視化模型導(dǎo)入Ansys有限元分析軟件建立膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。
　　 結(jié)果：
　　 第一部分:膝關(guān)節(jié)斷層影像解剖學(xué)研究
　　 在斷面標(biāo)本矢狀面上,內(nèi)側(cè)半月板(medial meniscus,MM)矢徑為(40.36±4.73)mm,前角高度為(4.98±1.

6、83)mm,后角高度為(4.45±1.44)mm;外側(cè)半月板(lateral meniscus,LM)矢徑為(34.51±2.18)mm,前角高度為(3.54±1.24)mm,后角高度為(6.15±1.43)mm;脛骨內(nèi)側(cè)平臺矢徑為(46.78±3.19)mm,脛骨外側(cè)平臺矢徑為(43.59±1.78)mm。MM矢徑占脛骨內(nèi)側(cè)平臺矢徑的(86.61±11.06)％,LM矢徑占脛骨外側(cè)平臺矢徑的(69.08±28.04)%。MM矢徑大于L

7、M,LM后角高度大于MM,并且大于同側(cè)前角。前交叉韌帶(anteriorcruciate ligament,ACL)的長度為(29.66±4.21)mm,厚度為(10.03±1.97)mm,股骨附著區(qū)長度為(13.84±6.11)mm,脛骨附著區(qū)長度為(28.08±6.90)mm;后交叉韌帶(posterior cruciate ligament,PCL)的長度為(40.26±6.81)mm,厚度為(11.24±3.50)mm,股骨附著

8、區(qū)長度為(24.00±10.13)mm,脛骨附著區(qū)長度為(14.28±5.52)mm。ACL長度、股骨附著區(qū)長度小于PCL,脛骨附著區(qū)長度大于PCL,ACL、PCL厚度則無明顯差別。
　　 在影像圖像矢狀面上,男、女性MM矢徑分別為(41.55±2.44)mm、(36.84±2.37)mm,前角高度分別為(6.85±1.15)mm、(6.24±1.08)mm,后角高度分別為(6.53±1.28)mm、(5.47±0.89)mm;

9、男、女性LM矢徑分別為(33.91±2.57)mm、(31.01±2.51)mm,前角高度分別為(4.74±0.89)、(4.69±1.26)mm,后角高度分別為(6.61±0.64)mm、(6.42±0.90)mm。男、女性脛骨內(nèi)側(cè)平臺矢徑分別為(43.79±2.90)mm、(39.75±2.73)mm,脛骨外側(cè)平臺矢徑分別為(43.93±3.40)mm、(40.20±2.61)mm。男、女性MM矢徑分別占脛骨內(nèi)側(cè)平臺矢徑的(95.0

10、9±5.78)%、(77.57±7.52)%,LM矢徑分別占脛骨外側(cè)平臺矢徑的(92.82±4.92)%、(77.33±6.47)%。除LM前后角高度外,各指標(biāo)均為男性大于女性,差別有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。MM矢徑、前角高度均大于LM;女性LM后角高度大于MM,而男性半月板后角高度內(nèi)、外側(cè)無明顯差異。女性MM后角高度小于前角,而男性MM無前后角差異;男性LM后角高度則均大于前角。男、女性ACL長度分別為(36.97±4.01)mm

11、、(32.83±4.16)mm,厚度分別為(8.94±2.33)mm、(7.97±2.20)mm,股骨附著區(qū)長度分別為(11.91±2.68)mm、(10.37±1.97)mm,脛骨附著區(qū)長度分別為(13.27±3.33)mm、(11.88±2.97)mm;男、女性PCL長度分別為(39.07±3.78)、(34.11±3.72)mm,厚度分別為(5.31±1.06)mm、(5.07±1.22)mm,股骨附著區(qū)長度分別為(9.32±2.

12、00)mm、(9.07±1.75)mm,脛骨附著區(qū)長度分別為(13.04±4.03)mm、(12.53±3.40)mm。ACL長度、厚度、韌帶附著區(qū)長度均為男性大于女性,差別有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05);PCL除長度男性大于女性外,其余指標(biāo)男女性之間均無明顯差異。ACL長度小于PCL,其厚度及股骨附著區(qū)長度大于PCL,脛骨附著區(qū)長度則無明顯差異。
　　 在冠狀斷面標(biāo)本上,MM前角寬度為(17.72±4.00)mm,橫徑為(30.

13、46±3.09)mm;體部高度為(5.59±0.89)mm,寬度為(8.45±1.59)mm,橫徑為(33.81±1.76)mm;后角寬度為(20.54±3.77)mm,橫徑為(32.05±2.19)mm。LM前角寬度為(20.11±1.74)mm,橫徑為(29.43±3.24)mm;體部高度為(6.67±1.01)mm,寬度為(11.03±1.78)mm,橫徑為(35.58±2.71)mm;后角寬度為(19.20±5.24)mm,橫徑

14、為(30.92±2.12)mm。脛骨平臺寬度為(70.00±3.46)mm。MM體部寬度占脛骨平臺寬度的(12.07±2.16)%,LM體部寬度占(15.77±2.57)%。LM體部高度、寬度及橫徑均大于MM,而前后角寬度、橫徑兩者無明顯差異。MM后角高度、寬度均大于前角,橫徑前后角無明顯差異;LM后角高度大于同側(cè)前角,寬度及橫徑無明顯差異。半月板板股韌帶出現(xiàn)率為75.00%。ACL冠面長徑為(15.18±3.25)mm,短徑為(6.3

15、7±1.32)mm,股骨附著區(qū)寬度為(8.13±1.55)mm,脛骨附著區(qū)寬度為(16.06±5.51)mm;PCL長徑為(18.79±3.35)mm,短徑為(8.03±1.46)mm,股骨附著區(qū)寬度為(21.09±6.05)mm,脛骨附著區(qū)寬度為(11.79±6.23)mm。PCL寬度及股骨附著區(qū)寬度大于ACL,而脛骨附著寬度則是ACL大于PCL。
　　 在冠狀影像圖像上,男、女性MM前角寬度分別為(13.83±6.31)mm

16、、(12.91±6.56)mm,橫徑分別為(23.46±10.35)mm、(21.63±10.73)mm;體部高度分別為(6.22±1.18)mm、(5.72±0.92)mm,寬度分別為(8.56±1.89)mm、(7.58±1.61)mm,橫徑分別為(36.03±2.57)mm、(33.29±2.15)mm;后角寬度分別為(22.01±2.62)mm、(19.22±2.56)mm,橫徑分別為(31.54±2.82)mm、(28.43±

17、2.62)mm。男、女性LM前角寬度分別為(20.11±1.74)mm、(18.86±2.70)mm,橫徑分別為(29.43±3.24)mm、(29.90±2.90)mm;體部高度分別為(7.22±1.01)mm、(6.81±1.31)mm,寬度分別為(11.03±1.78)mm、(11.31±3.00)mm,橫徑分別為(36.86±2.85)mm、(32.69±1.92)mm;后角寬度分別為(21.96±3.27)mm、(20.04±

18、2.69)mm,橫徑分別為(32.38±3.39)mm、(28.84±2.83)mm。脛骨平臺寬度分別為(74.34±3.88)mm、(66.57±3.11)mm。男、女性MM體部寬度分別約占脛骨平臺寬度的(11.49±2.31)%、(11.39±2.43)%,LM體部寬度分別約占(15.21±3.87)%、(15.48±2.96)%。MM除前角寬度及橫徑無性別差外均是男性大于女性,差別有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05);LM前、后角寬度、橫

19、徑及體部橫徑均存在性別差異(P＜0.05),體部高度和寬度男女之間無明顯差別。半月板前角寬度、橫徑、體部高度、寬度均是LM大于MM,后角寬度、橫徑兩者無明顯差異。男性LM體部橫徑大于MM,而女性兩者間差別無統(tǒng)計學(xué)意義。MM、LM后角寬度及橫徑均大于同側(cè)前角。板股韌帶出現(xiàn)率為70.00%。男、女性ACL寬度分別為(7.42±1.70)mm、(7.04±1.21)mm,股骨附著寬度分別為(17.29±2.69)mm、(15.61±2.29)

20、mm,脛骨附著寬度分別為(12.96±1.85)mm、(12.24±1.78)mm;PCL寬度分別為(8.52±1.00)mm、(7.92±1.14)mm,股骨附著寬度分別為(8.93±1.77)mm、(9.09±1.79)mm,脛骨附著寬度分別為(10.74±1.12)mm、(10.34±1.01)mm。男、女性脛側(cè)副韌帶(tibialcollateral ligament,TCL)長度分別為(103.22±8.28)mm、(92.9

21、1±6.71)mm,厚度分別為(3.11±0.62)mm、(2.69±0.50)mm;腓側(cè)副韌帶(fibularcollateral ligament,FCL)長度分別為(47.43±4.10)mm、(43.53±3.21)mm,厚度分別為(3.26±0.66)mm、(3.19±0.61)mm。ACL股骨附著區(qū)寬度、PCL寬度、TCL長度及寬度、FCL長度存在性別差異(P＜0.05),男性大于女性,其余指標(biāo)男女性無明顯差別。PCL寬度大

22、于ACL,而ACL股骨及脛骨附著區(qū)寬度均大于PCL。
　　 連續(xù)的橫斷面顯示半月板信息較少,一般僅出現(xiàn)在一個層面中,且前、后角與體部不能同時顯示。在髁間隆起的橫斷面上,ACL長徑為(23.60±11.97)mm,短徑為(7.53±2.83)mm;PCL長徑為(15.23±3.84)mm,短徑為(11.08±4.65)mm;TCL長度為(21.98±11.95)mm,厚度為(2.03±0.59)mm;FCL長度為(5.25±1.9

23、3)mm,厚度為(2.87±0.64)mm。
　　 第二部分:膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字化重建與有限元模型的建立
　　 利用MRI數(shù)據(jù),成功建立膝關(guān)節(jié)三維可視化模型,所獲得的三維模型幾何形態(tài)逼真、解剖標(biāo)志明顯,通過調(diào)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的透明度,可以清晰顯示韌帶、半月板等與相關(guān)結(jié)構(gòu)的解剖位置關(guān)系。模型可以不同顏色、任意組合顯示,可進行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等多方位觀察?？蓪⑷S模型圖像保存為BMP或JPEG格式,或錄制成AVI格式的視頻輸出動態(tài)顯示

24、,其播放畫面清晰流暢。將三維可視化模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中,成功建立了膝關(guān)節(jié)三維有限元模型,并可以進一步進行膝關(guān)節(jié)有限元分析。
　　 主要結(jié)論：
　　 1.通過膝關(guān)節(jié)斷面標(biāo)本及MRI斷層影像圖片的連續(xù)觀察,在橫、矢、冠三維方位上描述膝關(guān)節(jié)半月板、韌帶在斷面上的表現(xiàn)及毗鄰關(guān)系,并探討了相關(guān)結(jié)構(gòu)的最佳顯示層面及形態(tài)變化規(guī)律。
　　 2.半月板的影像測量與斷面測量存在差異,可能與測量方法、個體差異等因素有關(guān)。通過對半

25、月板的觀測分析,進一步揭示了內(nèi)外側(cè)半月板損傷的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ),同時,提出了鑒別診斷盤狀半月板和小半月板及半月板移植物選擇的形態(tài)學(xué)依據(jù)。
　　 3.交叉韌帶與側(cè)副韌帶的測量結(jié)果存在差異,亦可能與測量方法、個體差異等因素有關(guān)。通過對交叉韌帶、側(cè)副韌帶的斷層影像觀察與測量,其形態(tài)學(xué)資料將有助于對韌帶損傷的診斷、治療及重建等。
　　 4.采用膝關(guān)節(jié)MRI掃描數(shù)據(jù),利用Mimics軟件可以分割提取骨性結(jié)構(gòu)、半月板、韌帶等重要結(jié)構(gòu),重建