膝关节关节软骨的三维构建

目的:构建膝关节关节软骨的三维模型,为开展膝关节数字医学研究进行模型构建的探索。方法:人体成年新鲜膝关节标本1例,行CT、MRI扫描,利用三维重建软件Mimics及逆向工程软件Geomagic对图像进行三维重建及图像配准,构建膝关节骨、关节软骨结构。结果:利用Mimics 10.01软件构建关节软骨的三维模型,并形成骨-关节软骨复合模型,导入Geomagic软件中与CT构建的骨三维模型相配准,再次导入CT影像中进行逐层微修饰,验证关节软骨分割效果。最终建立具有骨、关节软骨的三维膝关节模型。结论:三维图像重建技术与图像配准技术可将CT、MRI图像两者结合起来,发挥其各自优势,构建出形态较好的膝关节三维模型。     

基于CT和MRI混合配准的膝关节复合结构三维重建

目的:重建包括骨性结构及主要软组织结构在内的膝关节三维模型,为人体膝关节形态学研究及运动损伤的评估分析及康复治疗提供理论基础。方法:健康男性志愿者,排除骨骼肌肉系统先天性畸形和疾病,对其双侧膝关节行CT与MRI扫描,其中MRI选取质子加权序列(PdWI序列)和STIR脉冲序列,利用Mimics 10.0根据CT图像、MRI的PdWI和STIR序列所得图像分别重建骨性结构、韧带以及半月板。所得模型分别导入Geomagic Studio 11软件进行细化修饰,以及骨性结构和主要软组织结构的三维配准,构建膝关节骨性结构及其附属软骨、韧带结构的数字化模型。结果;最终建立了具有骨、半月板、侧副韧带等主要结构在内的三维膝关节模型。结论:利用CT对骨性结构显影佳、MRI对软组织显影佳的特点,基于Mimics和GeomagicStudio对图像进行重建与图像配准,可构建形态学满意的膝关节三维模型,可满足教学、运动仿真及生物力学分析。     

基于MRI建立膝关节前交叉韧带三维数字化模型

背景：近年来有关膝关节前交叉韧带三维数字化模型的研究在国外发展迅速,但在国内,未见对包括全膝关节及前交叉韧带在内的三维数字化模型进行基础解剖研究的报道。 目的：评估运用MRI二维图像及MIMICS软件建立膝关节及前交叉韧带三维数字化模型的真实性及可靠性。 方法：选择20例新鲜成人尸体正常膝关节标本,利用MRI对标本进行二维扫描,获得层厚为1.0 mm的连续图像资料,将该资料以DICOM格式导入计算机并利用MIMICS软件进行三维重建,建立包括股骨远端、胫骨近端、前交叉韧带、半月板、髌骨及腓骨等在内的双膝关节三维实体数字化模型,利用测量软件测量相关指标;同时对尸体标本进行解剖并测量膝关节前交叉韧带的相关参数,与模型所测指标行配对比较。 结果与结论：尸体标本测量数据与三维实体数字化模型测量数据的结果差异均无显著性意义(P > 0.05)。提示利用MRI采集获得的人体膝关节及前叉韧带图像数据可以建立较为真实可靠的膝关节及前交叉韧带三维实体数字化模型。     

运用功能性组织工程技术促进韧带及肌腱愈合

引言 韧带和肌腱是肌肉骨骼系统中传递应力和稳定关节的重要结构,如膝关节的前交叉韧带((ACL)、内侧副韧带(MCL),肩关节的盂肱韧带及肩袖等,在运动及劳动过程中,这些组织常易受到损伤,并引起包括软骨、半月板在内的关节内或周围软组织受损,严重的病例甚至会导致骨关节炎的早期症状.     

CRTER杂志“计算机辅助外科”栏目关于“骨与关节的影像图像技术”的组稿内容

<正>○基于MRI图像胫股关节有限元模型的建立○复杂髋关节骨折CT图像的三维重建○基于MRI图像含半月板的活体股胫关节接触特性有限元分析○7.0TMR关节软骨自旋锁定三维自旋-晶格弛     

基于MRI的全膝有限元模型建立与前交叉韧带重建术模拟方案

目的建立完整的人体膝关节三维有限元模型,并在此基础上建立了用于前交叉韧带重建模拟的胫股骨隧道和人工韧带模型,为进一步分析打下基础。方法以MRI图像作为数据源,运用逆向工程软件Geomagic及有限元分析软件ANSYS9.0,参考大量有关实验测试数据的文献报道,建立所需三维有限元模型。结果建立的膝关节三维有限元模型包括胫腓骨上段、股骨下段、胫股骨软骨层、胫股骨隧道、内外侧半月板、后交叉韧带、内外侧副韧带和髌韧带,几何形状良好。胫腓骨隧道和人工韧带的模拟巧妙简便,基本可以满足有限元分析的需要。结论采用MRI图像建立膝关节三维有限元模型切实可靠,能很好地模拟膝关节内部的真实解剖结构及前交叉韧带重建术中的胫股骨隧道。     

内侧副韧带不同程度损伤时膝关节的应力变化

背景：膝关节内侧副韧带损伤易导致继发性的半月板及软骨损伤,长期慢性损害会引起骨关节炎的发生。目前,关于内侧副韧带断裂所致半月板及关节软骨损伤的力学研究较少。目的：探讨膝关节内侧副韧带不同程度损伤对膝关节半月板及软骨生物力学的影响。方法：选择一名健康志愿者行膝关节CT和MRI检查,获取其影像资料,将扫描数据依次导入Mimics、Geomagic及Solidworks软件,经配准融合后建立正常膝关节三维模型,并在此基础上模拟出膝关节内侧副韧带不同程度损伤的模型,共分为4组,包括：(1)内侧副韧带完整;(2)内侧副韧带深层断裂;(3)内侧副韧带浅层断裂;(4)内侧副韧带完全断裂。最后导入Ansys软件,对膝关节施加3种模式载荷：(1)股骨顶端施加10 N·m外翻力矩;(2)股骨顶端施加4 N·m内旋力矩;(3)股骨顶端施加4 N·m外旋力矩。分析4组模型在不同载荷下对膝关节生物力学的影响。结果与结论：(1)在膝关节伸直位,对膝关节施加10 N·m外翻力矩时,内侧副韧带不同程度损伤后外侧半月板总体应力均增加,关节软骨应力变化不明显,并且当内侧副韧带浅层出现断裂后外侧半月板应力峰值明显增大;(2...     

高场强MRI联合128层CT三维重建技术在诊断膝关节外伤中的应用效果

目的 探究高场强MRI联合128层CT三维重建技术诊断膝关节外伤的效果。方法 选取我院77例膝关节外伤患者,均行高场强MRI和128层CT三维重建检查,以关节镜检查或手术结果作为“金标准”,比较高场强MRI、128层CT三维重建单独及联合诊断膝关节外伤类型的准确度,并比较两种检查方法单独及联合诊断膝关节骨折类型、骨折部位、韧带损伤分级、半月板损伤分级的准确度。结果 高场强MRI与128层CT三维重建联合诊断膝关节外伤类型的准确度高于二者单独诊断(P<0.05);高场强MRI与128层CT三维重建联合诊断膝关节骨折类型、半月板损伤分级、骨折部位、韧带损伤分级的准确度均高于二者单独诊断(P<0.05)。结论 高场强MRI和128层CT三维重建技术均为诊断膝关节外伤的可靠方法,二者联合能有效提高对膝关节外伤类型的诊断准确度,且在膝关节骨折类型、骨折部位、韧带损伤分级、半月板损伤分级的判断方面具有较高的准确性。     

基于Mimics软件虚拟人膝关节三维图像融合实验

背景：国内外已有学者利用不同的方法对人体膝关节进行三维建模,根据各自研究侧重点不同,在方法和最终效果上各有不同。 目的：根据不同模态中膝关节影像的特点,将膝关节建模结果进行配准、融合,为进一步生物力学研究提供一种方便的方法。 方法：采用Mimics V 10.0软件根据膝关节在CT和MR断层图像的特点,选择不同分割算法进行膝关节解剖组织分割,并对不同的分割图像进行三维重建。 结果与结论：基于逆向工程原理,利用虚拟人膝关节连续CT断面图像分别重建出膝关节的骨性结构如股骨、胫骨、腓骨、髌骨;并利用膝关节的连续MRI断面图像重建出半月板、髌韧带、内侧副韧带、前交叉韧带、后交叉韧带等结构,并成功对上述结构进行融合,融合后的三维膝关节模型可以任意角度或单独观察,并可以进行体视学测量。说明通过不同模态图像融合的方法可以建立膝关节的三维模型,为计算机辅助膝关节损伤康复研究奠定基础。     

膝关节矢状断层影像解剖学

目的 为膝关节疾患的影像学诊断提供矢状断层解剖学基础。方法 用成年男尸右膝部标本5例(新鲜3，福尔马林固定2)，按解剖骨性标志画线，其中1例标本先行矢状位MRI扫描，所有标本冻硬后，切制矢状断层解剖标本，每例切5个断层，皆观察其内侧面。结果 观察了构成膝关节的主要结构，交叉韧带、半月板及其周围软组织的形态特征、位置、毗邻及其在连续断层的变化规律，并匹配同一断层之MRI。测量股骨内、外侧髁关节软骨厚为2．3mm和2．4mm，胫骨内、外侧髁关节软骨厚为2．5mm和2．6mm，髌骨关节软骨厚为5．3mm，前交叉韧带长36．1mm，前、后交叉韧带中部矢状径为6．32mm和6．51mm，内、外侧半月板矢状径为42．4mm和33．2mm，内侧半月板前、后部厚度为5．1mm和5．8mm，外侧半月板为6．5mm和7．1mm。结论 膝关节的矢状断层解剖各结构形态、位置及变化规律，对骨科及影像学诊断和治疗有重要的价值。     

基于CT和MRI膝关节有限元模型建立与不同载荷下生物力学特性分析

基于CT和MRI图像数据建立膝关节有限元模型,采用六面体网格对不同载荷系统下人体膝关节生物力学特性进行研究,并进行有效性验证。建立膝关节有限元模型包括:股骨、胫骨、髌骨、腓骨、股骨软骨、胫骨软骨、腓骨软骨、半月板、前后交叉韧带、内外侧副韧带、髌韧带和股四头肌腱等。对膝关节施加1 kN轴向压缩载荷、134 N后向抽屉力和5、10、15 N[?m内翻力矩和外翻力矩,分析膝关节内软骨和半月板的接触应力和接触面积,股骨内外翻倾角以及位移变化情况。在1 kN压缩载荷和134 N抽屉力作用下,股骨软骨、内外侧半月板和内外侧胫骨软骨的接触应力峰值分别为4.47、3.25、2.83、2.70、2.53 MPa,Von Mises应力峰值分别为2.22、2.44、2.25、2.07、1.64 MPa。股骨相对胫骨前向位移为4.19 mm。施加5、10、15 N[?m内翻和外翻力矩时,股骨内翻和外翻倾角分别为3.49°、4.48°、4.91°和3.22°、3.62°、4.01°。随着力矩的线性增大,膝关节各组成部分的应力呈非线性变化趋势。膝关节软骨、半月板和韧带的研究结果符合其生物力学特性,与前人数值分析和实验研究结果相一致,可为临床膝关节生理病理分析和治疗提供一定的理论依据。     

膝关节三维有限元模型建立和验证及模拟后交叉韧带重建术

目的建立健康成年人膝关节三维有限元模型并进行验证,在此基础上建立模拟后交叉韧带单束重建术的股骨、胫骨隧道和移植物模型,为进一步分析奠定基础。方法以MRI作为数据源,运用医学制图软件Mimics,逆向工程软件Geomagic studio、Solidworks及有限元分析软件Abaqus,参考大量有关实验的文献报道,建立所需三维有限元模型。验证模型:模拟膝关节在屈曲0°情况下,对股骨施加后向134 N集中力,得出胫骨股骨相对位移及主要韧带受力分布与已报道文献进行比较;模拟膝关节屈曲0°情况下,加载垂直方向395 N集中力(单腿站立时下肢受力),得出软骨及半月板von Mises应力并与已报道文献进行比较。结果建立的膝关节三维有限元模型包括股骨下段、胫腓骨上段、髌骨、股骨软骨、胫骨软骨、髌骨软骨、髌韧带、内外侧半月板、前后交叉韧带、内外侧副韧带,几何形状良好。模型验证:股骨相对胫骨前后、远近及内外方向上位移分别为4.52 mm、0.35 mm和1.12 mm,此时韧带应力主要分布在前交叉韧带股骨附着处和体部且股骨附着处最大,与类似实验报道结果一致,且与临床结论前交叉韧带主要限制胫骨前移、在股骨附着处易发生断裂一致;半月板承担主要应力且内侧大于外侧,主要分布在内缘,最大应力值为1.65 MPa,其次胫骨软骨最大应力为1.05 MPa,股骨软骨应力最小,主要受力部位在内侧,为0.78 MPa;与已报道文献及尸体解剖力学实验结果一致,验证了该模型的有效性,在此基础上模拟建立后交叉韧带单束解剖重建股骨、胫骨隧道和移植物模型,基本可以满足有限元分析的需要。结论采用MRI图像建立膝关节三维有限元模型切实可靠,能很好地模拟膝关节解剖结构及后交叉韧带重建术中的股骨、胫骨隧道并满足生物力学的研究。     

人体全膝关节精细有限元模型建立及有效性验证

近年来利用数字三维模型对人体全膝关节进行生物力学分析在国内外迅速发展,但是缺乏完整精细的膝关节有限元模型;同时对所建立模型的验证也比较单一,仅从韧带或者软骨受力单方面进行有效性的验证,导致模型的实用性和广泛性受到限制。目的以一种创新、高效的方法三维重建精细人体膝关节有限元模型,包括股骨、胫骨、髌骨、腓骨、股骨软骨、胫骨软骨、髌骨软骨、腓骨软骨、半月板、交叉韧带、侧韧带、髌韧带等组织结构,并对整体模型有效验证。方法利用CT和MRI医学影像,使用Mimics、3-Matic、Geomagic、Solidworks、Abaqus软件获得完整、精细的人体膝关节模型;在内外髁中点施加1 000 N竖直向下载荷,分析膝关节内外间室的力学分布及软骨的力学响应;以胫骨平台髁间隆起为参考施加134 N前向推力,模拟临床中的抽屉实验(ADT),获取各韧带组织的生物力学响应,并与现有人体实验及模型对比。结果 1 000 N载荷下,股骨软骨最大Mises应力值为2.514 MPa,半月板最大Miese应力值为7.693 MPa,胫骨软骨最大Mises应力值为1.848 MPa,均分布于膝关节的内侧;内外侧软骨接触面积分别为476.080 8 mm~2和338.446 8 mm~2;内外腔室分别承担总载荷的60.57%和39.43%。134 N载荷下,胫骨平台前端的位移量为5.687 mm;前十字交叉韧带(ACL)最大Mises应力值为28.030 MPa,后十字交叉韧带(PCL)最大Mises应力值为16.730 MPa,内侧副韧带(MCL)最大Mises应力值为4.511 MPa,外科韧带(LCL)最大Mises应力值为3.751 MPa;交叉韧带与股骨止点的最大Mises应力值为15.270 MPa。结论建立的精细膝关节三维模型很好地重塑了人体膝关节相关生物力学特性;该精细膝关节模型仿真结果与现有实验数据非常接近,证明了模型的有效性;完整、有效的精细全膝关节有限元模型将为植入物手术、人体运动分析、康复研究等打下基础。     

膝关节三维有限元模型的建立及生物力学分析

背景:近年来,采用有限元分析法进行膝关节生物力学分析在国外发展迅速,但在国内,关于膝关节的三维有限元分析较少,且建模简单,相对粗糙,目前尚未有文献报道包括半月板、关节软骨及全部韧带等在内的完整膝关节的精细三维有限元模型。目的:建立完整的膝关节三维有限元模型。方法:获取正常膝关节SCT扫描图像数据,使用Mimics、3ds Max、ANSYS等软件建立膝关节三维有限元模型并进行初步的生物力学分析,以验证模型的有效性。结果与结论:建立的膝关节三维有限元模型具有良好的生物形态,外形与实体标本一致性高。进行生物力学分析结果显示前交叉韧带承受前向载荷最大;轴向负荷中,内侧间室负荷较外侧间室大;胫腓骨前向移动4.9mm。实验初步表明采用CT扫描资料建立三维有限元模型切实可行,特别适用于骨科领域三维有限元模型的建立。     

浅刺治疗膝骨性关节炎患者登梯运动中生物力学效应的有限元分析

目的 研究浅刺治疗膝骨性关节炎患者登梯运动中膝关节生物力学特性的改变.方法 基于CT和MRI图像数据,建立上下楼梯运动中膝关节屈膝50°和15°的三维有限元模型,分析浅刺前后和健康组膝关节半月板、股骨及胫骨软骨的应力分布.结果 结果显示浅刺治疗后股骨软骨、内外侧胫骨软骨和内外侧半月板的最大应力比治疗前分别有所减小,软骨...     

颞下颌关节骨骼肌肉系统三维有限元模型的构建

目的探讨基于影像学与解剖学构建颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)骨骼肌肉系统三维有限元模型的可行性,为TMJ生物力学研究提供建模的新思路。方法采集第2代中国虚拟人男性第23号头颅CT图像、咀嚼肌及TMJ关节盘MRI图像,以DICOM格式导入Mimics软件进行三维重建,再通过Geomagic Studio软件配准模型、优化模型及构建关节软骨和关节囊,最后由ANSYS软件定义各组织的材料属性,建立TMJ骨骼肌肉系统的三维有限元模型。结果建立了一个包含关节盘、关节软骨、关节囊、上颌骨(包括颧骨及鼻骨)、下颌骨、颞骨(包括部分顶骨)、蝶骨、上牙列、下牙列、颞肌、咬肌、翼内肌、翼外肌、颞下颌韧带、蝶下颌韧带及茎突下颌韧带的TMJ骨骼肌肉系统的三维有限元模型。结论根据CT、MRI图像和解剖学,利用Mimics、Geomagic Studio及ANSYS可以精确、可行地构建TMJ骨骼肌肉系统的三维有限元模型。模型更加真实还原TMJ的生物力学环境,为TMJ生物力学研究提供新的建模方法,为临床上TMJ疾病的可视化治疗提供仿真平台。     

跳跃运动中不同护膝条件下膝关节半月板应力场的数值研究

目的 采用数值模拟方法,建立人体膝关节肌骨系统生物力学模型,并将人体动力学模型模拟跳跃运动时所获得的运动学和动力学信息作为模型驱动数据,进而分析不同热力耦合护膝条件下膝关节半月板的应力场分布特征。方法 基于受试者CT与MRI断层扫描图像,构建包括骨、关节软骨、半月板、韧带和膝关节外围软组织的较真实人体膝关节模型,依据跳跃运动全周期分析选择蓄力起跳、落地冲击两个半月板损伤风险较大的位姿步态进行模拟,分析4种不同热力耦合护膝条件下膝关节半月板的应力场特征,讨论半月板峰值应力及其应力集中区域的变化,探究半月板损伤以及佩戴护膝的防护功效和力学依据。 结果 膝关节内侧半月板前角是应力集中的易受损区域;在热力场耦合护膝条件下,内侧半月板应力集中区域由其狭长且薄弱的前角转移至其较为宽厚的中部,且峰值应力显著降低;内、外侧半月板的峰值应力接近,表明两者共同承担外载,且半月板应力集中区域面积减小。结论 热力场耦合护膝对于膝关节半月板的损伤具有良好防护作用。数值模拟研究结果可以为热力多功能护膝的设计提供理论支撑和技术指导。     

重建交叉韧带止点界面愈合的研究进展

交叉韧带是膝关节内最重要的稳定结构,交叉韧带断裂产生的稳定与功能丧失可导致膝关节运动学上的不稳定,从而导致关节退变或半月板及软骨的继发性损伤。正如坎贝尔所说“交叉韧带断裂之时就是膝关节功能退变之日”。为了恢复膝关节正常的结构和功能,常常需要关节镜下手术重建交叉韧带,而重建手术中固定韧带是否牢固以及腱骨界面能否顺利愈合将直接影响手术效果和病人的预后。     

基于ANSYS的人体膝关节半月板撕裂数值模拟

目的研究半月板在撕裂情况下膝关节应力、应变以及有效表面压力分布的情况。方法基于CT和MR扫描图像数据,使用软件Mimics和ANSYS,应用逆向工程原理建立膝关节的三维有限元模型(包括上、下膝盖骨和半月板),模型中处理忽略关节软骨和韧带。分析和对比健康完整膝关节、内侧半月板"V"字形撕裂膝关节和半月板纵向撕裂膝关节3种模型在承受轴向载荷时的力学响应情况。结果在轴向载荷作用下,健康膝关节半月板要传递大部分压应力载荷,且这些载荷主要集中在半月板中部的横向侧,最大的接触压力出现在半月板中间部分的后方。半月板撕裂时,应力最大的部位出现在撕裂部位周边,且由于撕裂部位的存在,半月板的接触应力分布有显著变化。结论半月板撕裂对膝关节各部件的应力分布和峰值有很大影响,医生可根据半月板的撕裂形状,通过确定半月板上应力集中的位置,有效、准确地确定半月板撕裂患者最需要重点修复治疗的地方。     

跳伞着陆过程中膝关节损伤的有限元研究

目的利用膝关节有限元模型和模拟跳伞着陆实验数据,对半蹲式跳伞着陆过程进行数值模拟,并分析膝关节损伤的机理。方法对16名健康志愿者进行半蹲式模拟跳伞实验,跳落高度分别为0.32m,0.52m和0.72m。基于核磁共振成像建立人体膝关节的三维有限元模型,采用实验测得的膝关节运动学和地面反力数据对跳伞着陆过程进行数值模拟。结果关节内组织的应力水平随着跳落高度的增加而增加,外侧半月板和关节软骨承受了较大的载荷,前交叉韧带和内侧副韧带在屈膝角度达到最大时产生明显的应力集中。结论跳伞着陆的高速冲击是造成关节损伤的直接原因,外侧关节软骨和半月板更易受到损伤,前交叉韧带和内侧副韧带较易在屈膝幅度最大时发生撕裂。