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(yùn)動(dòng)方式,致膝關(guān)節(jié)損傷和疾患的發(fā)病率較高。目前對(duì)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(duì)復(fù)雜,常規(guī)X線平片、軸位斷面計(jì)算機(jī)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(píng)價(jià)診斷膝關(guān)節(jié)疾病中各有其

2、優(yōu)缺點(diǎn),然而,作為CT、MRI診斷基礎(chǔ)的膝部斷層解剖學(xué)研究報(bào)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(duì)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(duì)模型的各個(gè)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(qiáng)大功能可以進(jìn)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(jìn)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(duì)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(jìn)行觀測(cè),以期為臨床膝關(guān)節(jié)疾病的診療提供更為直觀和真實(shí)的形態(tài)學(xué)依據(jù);同時(shí)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(duì)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(jìn)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(cè)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(duì)其進(jìn)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(cè)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(duì)其進(jìn)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(tái)矢徑為(46.78±3.19)mm,脛骨外側(cè)平臺(tái)矢徑為(43.59±1.78)mm。MM矢徑占脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)矢徑的(86.61±11.06)％,LM矢徑占脛骨外側(cè)平臺(tái)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(tái)矢徑分別為(43.79±2.90)mm、(39.75±2.73)mm,脛骨外側(cè)平臺(tái)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(tái)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(tái)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(jì)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(jì)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(tái)寬度為(70.00±3.46)mm。MM體部寬度占脛骨平臺(tái)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(tái)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(tái)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(jì)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(jì)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(gè)層面中,且前、后角與體部不能同時(shí)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(jìn)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(dòng)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(jìn)一步進(jìn)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(cè)量與斷面測(cè)量存在差異,可能與測(cè)量方法、個(gè)體差異等因素有關(guān)。通過對(duì)半

25、月板的觀測(cè)分析,進(jìn)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(shí),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(cè)量結(jié)果存在差異,亦可能與測(cè)量方法、個(gè)體差異等因素有關(guān)。通過對(duì)交叉韌帶、側(cè)副韌帶的斷層影像觀察與測(cè)量,其形態(tài)學(xué)資料將有助于對(duì)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