基于CT图像构建人体膝关节生物力学模型

基于CT 图像构建人体膝关节生物力学模型

郭艳霞

指导教师 倪俊芳

（苏州大学医学部，江苏 苏州）

摘要：采用CT 机对人体膝关节进行扫描，获得断层数据图像；然后采用生物力学反求工程软件对图像进行处理和建模；最后采用ANSYS 有限元软件对所建模型在模拟真实载荷的情况下进行分析，以达到理论研究和临床应用的目的。此外该项目可以帮助医生合理、定量地制定手术方案；同时对于选择最佳手术路径、减小手术创伤、减少对临近组织损害、执行复杂外科手术和提高手术成功率等有十分重要的意义。

关键词：膝关节 医学图像处理 生物力学模型 有限元分析

一. 引言

1. 课题简介

膝关节是人体最重要、最复杂的一个关节，也是多发病变部位，每年有大量的患者接受人工膝关节置换术。膝关节的不规则解剖结构、所处力学环境及其功能要求又使得采用一般的研究手段是很难得出确切的研究结果。计算机断层成像技术CT （Computed Tomography）的出现，为人工膝关节的研究提供了新的手段，本课题根据膝关节CT 图像，利用生物力学反求工程软件Mimics 建立的人工膝关节三维有限元模型，是对人工膝关节进行有限元分析的基础和前提，通过对该三维有限元模型运用ANSYS 软件进行有限元分析，有利于对膝关节生物力学机制和膝关节应力、应变分布进行深入研究，有利于指导人工膝关节的设计和更好地分析治疗各种膝关节疾病。

2. 国内研究现状

自从Bersler 和Frankel [1]在1950年建立了一个早期的人体膝关节生物力学模型以来，之后许多研究者已建立了各种各样的人体膝关节模型。

1956年Turner 等提出有限元（Finite Element，FE ）的概念以来，有限元理

论及应用发展迅速。随着计算机技术的发展、三维非线性有限元软件的开发，有限元分析法由最初的简单应力分析转向和时间有关的生物力学特性描述、理想植入假体结构设计、假体机械磨损机理及其生物学过程和病理变化的探讨等。七十年代起[2]，有限元即开始应用于骨科生物力学研究，最早是应用于脊柱，八十年代后，其应用范围逐渐扩展到脊椎骨、颌骨、四肢骨等骨性结构的生物力学研究上，并在牙齿及其附属结构、脊柱生物力学问题上得到了广泛应用。

2004年，郑淑贤[3]通过CT 图像处理技术、反求工程技术（Geomagic 反求软件）实现了残肢骨骼和皮肤软组织三维模型的重建。2006年王玮和2008年等张建宏[4]分别通过CT 图像，借助CAD 软件实现了三维建模工作。2006年，万磊[5]等使用Mimics8.1医学图像重建软件建立起形态学高度拟真的膝关节模型。2008年，胡辉莹等通过CT 图像，应用Mimics10.1建立了共1 158 085个节点、736 022 个单元的人体胸廓三维有限元模型。

但目前国际国内的研究仍存在如下问题[7]：（1）建立的生物力学模型形态、结构与人体实际尚有差距，许多有限元模型仍为二维平面模型；（2）建立的模型材料性质多为参考国外文献，与国内实际存在差别，国内单独开展的生物材料性能测试工作欠缺；（3）许多研究仍停留在结构静力分析状态，对各类结构动力学、流体力学、热力学及力热耦合场研究较少；（4）用CAD 软件等构建的三维模型较粗糙，不符合人体膝关节的在体情况。

3. 我的工作

在前人的基础上，采用CT 机对人体膝关节进行扫描，获得断层数据图像；然后采用生物力学反求工程软件Mimics 对图像进行处理和三维建模；最后采用ANSYS 有限元软件对所建模型在模拟真实载荷的情况下进行分析，以达到理论研究和临床应用的目的。

二. 膝关节解剖结构

膝关节（Knee Joint ）是连接大腿和小腿的滑膜关节，是人体最完善最复杂的关节。它的完善在于膝关节不仅具有股骨远端，胫骨近端和髌骨这些主要的骨性结构组成部分，而且还具有半月板、韧带、滑囊和脂肪垫等辅助结构，如图1所示。

人体膝关节复杂性在于股骨和胫骨之间不是铰链连接，而是完全分离的，膝关节的运动主要是通过膝关节的辅助结构（半月板、韧带等）将股骨和胫骨之间连接成滑膜关节（关节面、关节腔、关节囊）。

（1）膝关节前面观 （2） 膝关节后面观

图1 膝关节解剖图

三. 生物力学模型

1. 生物力学（Biomechanics ）

生物力学[8]是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究，是生物物理学的分支。研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。依研究对象的不同可分为：生物流体力学、生物固体力学、和运动生物力学等。

2. 生物力学模型

生物力学模型是指有一定的数学关系式组成，是能够满足一些平衡方程的物理定理，可分为现象模型和解剖模型。现象模型没有考虑膝关节的真实结构，解剖模型则是考虑了形成膝关节各部分的解剖结构。解剖模型又可分成静力及准静力模型、动力学模型和运动模型。

3. 构建膝关节生物力学

（1）建模方法

从高精度的CT 图片出发，利用反求工程软件Mimics 建立膝关节生物力学模型。

（2）建模过程

①. 导入CT 图片：由于Mimics 软件对BMP 格式的CT 图片是半自动识别，所以，需要对导入其中的图片设置视图方向，如图2所示，左上角为冠状图，左下角为矢装图，右侧为轴状图。

图2 导入CT 图片

②. 阈值分割：由于肌肉组织和骨骼具有不同的密度，在CT 图片上表现为不同的颜色，所以需要利用阈值分割法使得骨骼和肌肉分割，如图3所示。

图3 阈值分割

③. 空洞填补：由于在扫描过程中会夹入各种噪声，使得骨骼部分某些信息丢失，故需要对其填充，为建立完整的三维实体模型做准备，如图4所示。

图4 空洞填补

④. 区域增长：在阈值设置中显示的骨组织中再定义骨骼热区，即建模的感兴趣区，可以撇开仪器台面和其他如缝合针等带来的干扰，将以黄色显示，如图5所示。

（3）建模结果

图5 区域增长

（1）正面观 （2）侧面观

（3）上面观 （4）后面观

图6 建立高度拟真的全膝关节三维模型

四. 有限元分析

膝关节生物力学的分析主要就是应用有限元的方法分析膝关节的受力情况。有限元法[9,10]（Finite Element，FE ）是将研究对象离散成有限个按一定方式相互联结在一起的单元，对每个小单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法组合成一个与原有系统近似的系统（基本思想：化整为零，集零为整）。膝关节有限元模型是基于有限元素法建立的可以对模型的各个组成部分赋予材料属性、施加边界条件和设定工况并可进行相关分析的三维模型。本课题选用的有限元分析软件为ANSYS 。

将上述利用生物力学反求工程Mimics 软件建立的全膝关节三维模型导入到ANSYS 中，经过定义单元属性、划分体网格生成有限元模型，如图7所示。

图7 全膝关节有限元模型

五. 结论

本课题研究价值在于利用健康成人的膝关节CT 及MR 数据，数据来源简单，且不损坏模型。目前的螺旋CT 与核磁共振的图像分辨率完全可以达到建模要求。重建三维有限元模型，最大限度的接近于真实膝关节解剖结构。传统的生物力学分析方法多使用尸体或动物膝关节利用专用的生物力学分析仪器，完成对韧带整体的力学性质的分析，或运用光弹性分析仪器通过观察韧带表面变化来计算韧带的应力分布，无法完整的得到韧带内部的应力分布。而运用三维有限元法进行生物力学分析，可以得到膝关节任意部位的应力以及位移情况，避免了由于尸体资源紧张和费用的原因带来的问题，实用、简单、快捷、误差小。

将CT 图像导入计算机，利用生物力学反求软件Mimics ，生成了高度拟真的全膝关节有限元三维模型。该模型整体光滑，在软件中可以旋转，可以加载分析受力单元，符合人体在体情况，对于减小手术创伤、减少对临近组织损害、执行复杂外科手术和提高手术成功率、成功有效地假肢移植等有十分重要的意义。

参考文献

[1] 汪强，孙俊英，赖震. 膝关节三维有限元模型的建立[J]. 山西医药杂志，2007，

36（3）：210-212

[2] 陈琼. 三维有限元建模方法的研究现状[J]. 口腔医学，2006，26（2）：154-155

[3] 郑淑贤，赵万华，卢秉恒. 基于反求工程的个性化残肢重建方法的研究[J]. 机

械工程学报，2004，40（7）：128-131

[4] 张建宏. 基于CT 图像的人工膝关节三维有限元模型构建[J]. 扬州职业大学学

报，2008，12（3）：23-26

[5] 万磊，李义凯，原林. 基于中国数字人CT 数据重建膝关节有限元模型[J]. 中

国骨与关节损伤杂志，2006，21（4）：271-273

[6] 胡辉莹，何忠杰，吕丽萍. 应用Mimics 软件辅助重建人体胸廓三维有限元模

型的研究[J]. 解放军医学杂志，2008，33（3）:273-275

[7] 陈灼斌，万磊. 医学有限元的建模方法[J]. 中国组织工程研究与临床康复，

2007，11（31）：6265-6267

[8] 郭松青. 基于CT 图像建立人体足部骨骼三维有限元模型的研究[D]. 合肥工业

大学硕士学位论文，2006

[9] 彭睿. 行人在汽车碰撞事故中下肢骨折的有限元仿真研究[D]. 湖南大学硕士

学位论文，2006

[10] 王万春. 膝关节三维有限元分析[J]. 国际骨科学杂志，2006，27（2）：103-105

后记

为期一年的莙政研修即将画上句号，回首望去，研修中的点点滴滴都颇为珍贵，我的大学生涯在莙政基金这艘科研与知识的巨轮的承载下驶向远方。

从幸运入选2009年度苏州大学莙政学者以来，跨学科课题的研究让我极大程度地开阔了眼界。从单纯人体解剖学和机械力学分析到人体关节的三维生物力学分析，从简单的现象模型到复杂的动力学研究让我收获颇多。这不仅仅是知识领域的扩充，更是思维方式的拓展。研修过程的每个环节都将成为我扬帆启航的动力。

最后，要衷心地道一声感谢。感谢李政道先生及亲属的慷慨赞助，李教授的殷切期望时刻激励我向科研领域逐步迈进。感谢莙政管理委员会的各位老师的辛勤付出。感谢我的导师——机电学院倪俊芳教授一年来的谆谆教导和悉心关怀，老师严谨的科研态度和独特的人格魅力让我学到很多。感谢陪伴我一路走来的各位师兄师姐们。

愿莙政精神激励更多人！

作者简介

郭艳霞，女，山西朔州人，医学部07级临床二班学生，中共预备党员，曾任班级生活委员、五乐天音乐社秘书部部长。曾获校三好学生、部级优秀团员，曾获苏州大学人民综合一等奖学金、“卫材”奖学金、朱敬文奖学金等。