基于CT重建和解剖復(fù)位的三維數(shù)字化虛擬腕關(guān)節(jié)模型的構(gòu)建.pdf

1、目的：探討基于CT影像重建和解剖復(fù)位的三維數(shù)字化虛擬腕關(guān)節(jié)模型構(gòu)建的可行性及其應(yīng)用價(jià)值，為開(kāi)展腕關(guān)節(jié)生物力學(xué)功能研究準(zhǔn)備有限元前處理形態(tài)學(xué)模型和三維有限元模型。 方法：利用Philips公司生產(chǎn)的16排螺旋CT機(jī)，采用層厚1mm，間隔1mm，采集一例中國(guó)青年男性志愿者從右前臂中段到指尖（約30cm長(zhǎng)）的260幅高分辨CT圖像，光盤(pán)刻錄成Dicom格式文件。將Dicom格式的CT圖像批量導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像重建軟件Mimics中，應(yīng)用Mi

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

3、術(shù)顯微鏡下辨認(rèn)腕部韌帶纖維的自然走行用顯微器械仔細(xì)剔除脂肪組織，解剖分辨各條腕部韌帶及三角纖維軟骨盤(pán)的分布、走行。通過(guò)文獻(xiàn)檢索，查找腕關(guān)節(jié)韌帶走行，長(zhǎng)、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(pán)和腕關(guān)節(jié)韌帶群并三維虛擬重建。然后在相應(yīng)軟件中將骨骼和韌帶、軟骨盤(pán)等的邊界以STL格式的文件導(dǎo)出，并導(dǎo)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(duì)骨骼、韌帶模型逐個(gè)進(jìn)行輪廓順滑處理，順滑強(qiáng)度采用最小值，順滑級(jí)別依據(jù)各結(jié)構(gòu)外形變化多少而不同，部分轉(zhuǎn)角部位行手工處理。然后以腕關(guān)節(jié)骨骼整體模型為參照坐標(biāo)，以文獻(xiàn)報(bào)道的解剖數(shù)據(jù)為參考，進(jìn)行軟骨盤(pán)和韌帶群的比例和方向調(diào)整，虛擬復(fù)位，使得軟骨盤(pán)、韌帶群和骨骼相互配準(zhǔn)，構(gòu)建網(wǎng)格優(yōu)化的腕關(guān)節(jié)數(shù)字模型。以IGS格式輸出腕關(guān)節(jié)的表面網(wǎng)格模型，導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys11．0，根據(jù)自下而上的“點(diǎn)-線-面-體”建模方式，構(gòu)建皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨

5、、骨髓腔、韌帶群、關(guān)節(jié)軟骨、三角纖維軟骨等結(jié)構(gòu)的體模型，采用實(shí)體單元和纜索單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分。腕部微動(dòng)關(guān)節(jié)采用軟骨連接，活動(dòng)關(guān)節(jié)采用接觸單元，依據(jù)連續(xù)性和協(xié)調(diào)性原理，建立腕部骨關(guān)節(jié)韌帶系統(tǒng)的三維有限元模型。 結(jié)果：建立了一個(gè)包括橈、尺骨，5塊掌骨（以上結(jié)構(gòu)包含皮質(zhì)、松質(zhì)、髓腔），8塊腕骨，三角纖維軟骨復(fù)合體（TFCC包括：三角纖維軟骨盤(pán)，掌背側(cè)橈尺遠(yuǎn)側(cè)韌帶，尺月、尺三角韌帶，尺側(cè)副韌帶等結(jié)構(gòu)），橈腕背側(cè)、橈舟、橈舟頭、橈月韌帶等結(jié)

6、構(gòu)的三維數(shù)字化虛擬腕關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)可視模型和腕部骨關(guān)節(jié)韌帶系統(tǒng)三維有限元模型。形態(tài)學(xué)模型虛擬構(gòu)建的韌帶、軟骨盤(pán)等的測(cè)量值基本在文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)值范圍之內(nèi)。有限元模型包含48182個(gè)節(jié)點(diǎn)，29713個(gè)實(shí)體單元，597個(gè)接觸單元，319個(gè)目標(biāo)單元，118個(gè)纜索單元。在適當(dāng)?shù)募s束下，對(duì)模型施加100N的垂直載荷后，計(jì)算所得的橈腕、尺腕關(guān)節(jié)面的應(yīng)力傳遞、分布情況與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)結(jié)果相近。 結(jié)論：在目前的個(gè)人計(jì)算機(jī)平臺(tái)上依據(jù)CT影像和解剖