基于CT图像构建人体膝关节生物力学模型.doc

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（ComputedTomography）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（FiniteElement，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1158085个节点、736022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（KneeJoint）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。