基于CT重建和解剖復位的三維數(shù)字化虛擬腕關節(jié)模型的構建.pdf

1、目的：探討基于CT影像重建和解剖復位的三維數(shù)字化虛擬腕關節(jié)模型構建的可行性及其應用價值，為開展腕關節(jié)生物力學功能研究準備有限元前處理形態(tài)學模型和三維有限元模型。 方法：利用Philips公司生產的16排螺旋CT機，采用層厚1mm，間隔1mm，采集一例中國青年男性志愿者從右前臂中段到指尖（約30cm長）的260幅高分辨CT圖像，光盤刻錄成Dicom格式文件。將Dicom格式的CT圖像批量導入醫(yī)學圖像重建軟件Mimics中，應用Mi

2、mics軟件自帶的閾值設定（Threshold）命令選擇擬重建部分，利用區(qū)域增長功能（Regiongrowth）進行皮質、松質、髓腔等不同結構的圖像分割，再利用圖像編輯（Edit）功能對圖像邊界進行手工“添加”或“擦除”操作，使各部分骨骼重建更準確，并以不同顏色表示。最后采用軟件的三維計算功能（3D calculation）進行重建，清楚直觀地再現(xiàn)骨性結構的三維形態(tài)。一具新鮮冷凍成人上肢標本事先經臨床及X線檢查排除畸形、骨折等缺陷，在手

3、術顯微鏡下辨認腕部韌帶纖維的自然走行用顯微器械仔細剔除脂肪組織，解剖分辨各條腕部韌帶及三角纖維軟骨盤的分布、走行。通過文獻檢索，查找腕關節(jié)韌帶走行，長、寬、厚等的解剖數(shù)據(jù)，并以上述資料為參考利用3D-Doctor軟件在CT圖像軟組織灰度區(qū)域，手工分割三角纖維軟骨盤和腕關節(jié)韌帶群并三維虛擬重建。然后在相應軟件中將骨骼和韌帶、軟骨盤等的邊界以STL格式的文件導出，并導入逆向工程軟件Geomagic studio中，利用軟件自帶的松弛功能（R

4、elax）對骨骼、韌帶模型逐個進行輪廓順滑處理，順滑強度采用最小值，順滑級別依據(jù)各結構外形變化多少而不同，部分轉角部位行手工處理。然后以腕關節(jié)骨骼整體模型為參照坐標，以文獻報道的解剖數(shù)據(jù)為參考，進行軟骨盤和韌帶群的比例和方向調整，虛擬復位，使得軟骨盤、韌帶群和骨骼相互配準，構建網格優(yōu)化的腕關節(jié)數(shù)字模型。以IGS格式輸出腕關節(jié)的表面網格模型，導入有限元分析軟件Ansys11．0，根據(jù)自下而上的“點-線-面-體”建模方式，構建皮質骨、松質骨

5、、骨髓腔、韌帶群、關節(jié)軟骨、三角纖維軟骨等結構的體模型，采用實體單元和纜索單元進行網格剖分。腕部微動關節(jié)采用軟骨連接，活動關節(jié)采用接觸單元，依據(jù)連續(xù)性和協(xié)調性原理，建立腕部骨關節(jié)韌帶系統(tǒng)的三維有限元模型。 結果：建立了一個包括橈、尺骨，5塊掌骨（以上結構包含皮質、松質、髓腔），8塊腕骨，三角纖維軟骨復合體（TFCC包括：三角纖維軟骨盤，掌背側橈尺遠側韌帶，尺月、尺三角韌帶，尺側副韌帶等結構），橈腕背側、橈舟、橈舟頭、橈月韌帶等結

6、構的三維數(shù)字化虛擬腕關節(jié)形態(tài)學可視模型和腕部骨關節(jié)韌帶系統(tǒng)三維有限元模型。形態(tài)學模型虛擬構建的韌帶、軟骨盤等的測量值基本在文獻報道的數(shù)值范圍之內。有限元模型包含48182個節(jié)點，29713個實體單元，597個接觸單元，319個目標單元，118個纜索單元。在適當?shù)募s束下，對模型施加100N的垂直載荷后，計算所得的橈腕、尺腕關節(jié)面的應力傳遞、分布情況與文獻報道的實驗生物力學結果相近。 結論：在目前的個人計算機平臺上依據(jù)CT影像和解剖