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

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。