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腕关节三维有限元精细模型的建立及其验证

艾登超  
【摘要】:目的:利用高分辨率CT、MRI及尸体解剖方法,重建包括正常人体手腕关节的骨组织、韧带及三角纤维软骨盘的精细三维有限元模型,并对其精确性进行验证。方法:1、正常人体腕关节三维有限元精细模型的建立:根据CT图像和MRI图像分别对骨组织、软组织显影明显的特点依次建立正常人体腕关节骨组织及软组织的三维有限元模型。选取一具新鲜冷冻男性上肢标本,分别使用德国西门子CT机及荷兰Philips公司生产的64排高分辨率螺旋核磁共振机,设置机器扫描层厚为0.625mm、扫描间隔为0.625mm、重复时间为1500ms、恢复时间为15.0/1ms、平均时长为6:58:SL3mm、视野为230mm×230mm、矩阵为256×256的T1WI序列,扫描区域为右前臂下端以远区域,包括尺桡骨下段、全部腕关节、掌骨、指骨及软组织结构。将全部CT及MRI扫描数据以Dicom格式输出,经仔细对照与鉴别确定其无手腕部疾患后导入Mimics 10.0软件中,调整CT图像阈值以选择全部骨组织,并经过区域增长、三维建模及表面光滑处理后,完成手腕部骨组织粗糙模型的重建。再次调整MRI数据阈值,依次选择各部分关节囊、韧带及三角纤维软骨盘。各软组织间的阈值相似,MRI图像难以精确区分,采用尸体解剖与MRI图像对照的方法,仔细解剖腕关节各部分韧带、肌腱及软骨盘,测量各部分软组织的起止点、厚度等数据,同时与MRI图像进行对照,将各部分肌腱、韧带及关节盘进行辨别、分割、重建,得到粗糙的手腕部软组织模型。将全部数据以点云格式(Point Cloud)输出,导入Geomagic studio 10.0软件中,依次经过点阶段、面阶段、多边形处理及曲面划分阶段,将各骨骼、肌腱、韧带及关节盘组织粗糙模型进行轮廓松弛、封装、光滑、构建曲面片处理,部分转角及曲面片的修理需手动操作,得到了较为精细并符合解剖位置的手腕部骨组织模型。以腕关节骨组织为工作坐标系,根据手腕部各组织的尸体解剖关系,仔细调整各软组织及骨骼的方向、位置,使其精确复位。将模型以igs格式输出后,再导入至Ansys 12.0软件中,经过定义单元模型、材料属性、划分网格后,得到了较为精细且完整的手腕关节三维有限元模型。模型中腕骨间的微动关节采用了软骨连结方式进行连接,活动性较大的如桡腕关节、掌指关节等则采用各组接触单元进行连结。2、正常人体腕关节三维有限元精细模型的验证:使用Ansys 12.0软件打开上述手腕关节三维有限元模型,以尺、桡骨近端设定为固定点,在各掌骨头施加100N的轴向压力,计算在此压力下桡腕关节面的接触应力分布情况,并与文献报告中采用力学研究方法得到的压力情况相比较,以验证使用本实验方法重建的手腕关节三维有限元精细模型的准确性。结果:本实验中,首次采用MRI图像与尸体解剖相结合的方式,建立了精确的手腕关节三维有限元精细模型。该模型包括了尺、桡骨下段(各1块)、全部腕骨(共8块)、掌骨(共5块)、关节囊、三角纤维软骨盘、桡月韧带、桡舟韧带等结构。该模型共包括节点829345个、实体单元42154个、接触单元739个。在对各掌骨头施加100N的轴向压力下,舟骨传导至桡腕关节的接触应力为5.3 Mpa,月骨传导至桡腕关节的接触应力为3.0 Mpa,二者之比为1.767,与文献报告中采用力学研究方法得到的压力情况相符,因而证明了本实验方法所构建的手腕关节三维有限元精细模型的真实性与合理性。结论:使用MR图像与尸体解剖相结合的方法构建的手腕部三维有限元精细模型,各解剖结构精确,对位关系合理,操作较为简单,实验可行性强,为人体复杂结构的三维有限元模型的构建提供了新的思路与方法,同时也为腕部乃至其他部位的生物力学研究提供了新的研究思路与方法。


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