磁共振膝关节有限元模型的构建研究
2014-01-30奇勒莫格王斯若胡晓娟
奇勒莫格 赵 骞 何 颖 王斯若 胡晓娟 杨 峰
沈阳医学院附属中心医院,辽宁 沈阳 110024
*通讯作者:杨峰 E-mail:500289526144@qq.com
磁共振膝关节有限元模型的构建研究
奇勒莫格 赵 骞 何 颖 王斯若 胡晓娟 杨 峰*
沈阳医学院附属中心医院,辽宁 沈阳 110024
*通讯作者:杨峰 E-mail:500289526144@qq.com
目的分析基于磁共振膝关节影像,建立有限元模型的方法。
膝关节; 磁共振;有限元模型; 构建
在全身中,膝关节结构比较大,并且较为复杂,杠杆作用力比较强,但是,膝关节形态特征使得它缺乏稳定性,在临床中,膝关节损伤比较常见。在膝关节功能方面,韧带、半月板发挥较大的作用,在生物学研究中,韧带、半月板一直是研究的热点。在三维结构力学中,有限元分析具有自身的优势,但是,国内在膝关节三维重建方面研究比较少[1]。本次研究主要是应用磁共振建立膝关节有限元模型,有助于生物学研究。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选择正常男性患者1例,进行X线检查,将相关的疾病排除。在扫描膝关节时,应用1.5TMRI,获得相应的资料。配备有限元分析软件。
1.2 方法
对志愿者进行扫描,应用1.5TMRI,获得连续矢状面图像,层厚1.5 mm。在工作站电脑中,将图像文件导入,导入形式是Dicom。利用3D—Doctor软件,对质子密度加权像,采用的边界为:(1)半月板边界,(2)胫骨边界,(3)股骨边界;对三维毁损梯度回波3D—SPGR加权像,采用的是软骨层边界[2]。对每层图像,需要进行绘制,成为点阵图,然后实行数字化,取得相应层面的空间坐标。在ANSYS软件系统中,导入数据,结合相关的建模方法,建立三维空间模型。
XY平面是膝关节矢状面,X轴是前后方向,Y轴是上下方向,Z轴和XY平面相垂直,方向是膝关节内侧至外侧,也就是进行MRI扫描,层距与层厚之和。层数共为60层,在建立Z轴方向时,主要是结合实际的情况建立。每层的相关节点需要进行连接,最后形成几何模型。应用ANSYS系统,重建膝关节组成部分,并进行网格化。
2 结果
根据膝关节磁共振加权像,结合相关的建模方式,对膝关节股骨-半月板-胫骨复合体的三维有限元模型进行重建。
3 讨论
3.1 在骨科领域有限元的应用
标本试验具有一定的局限性,有限元分析主要是控制实验条件,对体内力学情况进行模拟。有限元分析在研究骨关节形态、结构方面具有很大的优势,在临床模拟中具有很大的真实性。有限元分析在组织器官力学特性分析方面应用较广,但是对于膝关节的研究相对较少。
3.2 磁共振建立膝关节有限元模型的优点
Bendjaballah等人在膝关节研究方面,应用CT进行数字化测量,并建立有限元模型,但是,CT在软组织成像方面受到限制,对软骨应力变化不能进行分析,在软组织如半月板等方面建模不满意。进行MRI扫描,软组织成像比较清晰,能够获得多层面的数据,并获取三维图像,利用有限元方法,能够获得各部分的结构,对膝关节生物力学可以进行分析。在本次研究中,对膝关节进行MRI图像分析,融合加权像图像,结合MRI在软组织成像方面的技术优点,所建立的三维模型能够反映膝关节的特点,在有限元仿真计算中可以直接的应用,建立的模型和实际情况相似度较高,在结构方面,展示三维模型的优势,避开二维模型的缺陷。在建构几何体方面,比较客观,膝关节结构得以真实的反映,生物学属性展现比较真实,有助于分析膝关节的模型。建构有限元模型,在骨关节损伤诊治方面具有一定的优势[3]。
3.3 磁共振仪器改进
在本次研究中,应用的MRI仪器是1.5T超导型MR机,现阶段,在临床应用中,开始应用3TMR。和1.5TMR相比,3T图像像素颗粒比较小,图像清晰度更高,更为细腻,分解更加清晰,在细小解剖结构方面具有很强的空间分辨能力。3T图像优势主要是因为场强高,梯度场较高,切换率比较高,提高信噪比以及空间分辨的能力,所以,在膝关节建构模型方面,3TMR将会更加真实。
总之,在进行膝关节模型建构时,应用磁共振扫描,建构有限元模型,膝关节结构反映更加真实,能够真实的模拟半月板情况,值得临床推广。
[1]侯波, 王毅, 沈宇辉. 膝关节动态有限元模型的力学分析[J].中国组织工程研究,2013,17(22):3998.
[2]韩刚, 裴晓东.全膝关节置换术研究进展[J].中国现代医生,2013,51(17):15-16.
[3]刘晓敏. 基于MRI图像膝关节有限元模型的建立[J].中国中西医结合影像学杂志,2012,10(3):237.
R687.4
B
1674-9316(2014)06-0029-02
10.3969/J.ISSN.1674-9316.2014.06.016
沈阳医学院科技基金
方法结合MR扫描图像,借助于图像处理技术,利用转换技术,应用有限元程序,建立膝关节有限元模型。
结果根据膝关节磁共振加权像,结合相关的建模方式,对膝关节有限元模型进行重建。模型主要是包括以下几个部分:1内侧和外侧的半月板,2胫骨软骨层,3股骨软骨层,4股骨下段,5胫骨上段,模型位置形态较为真实。
结论在进行膝关节模型建构时,应用磁共振扫描,建构有限元模型,膝关节结构反映更加真实,能够真实的模拟半月板情况,值得临床推广。