【摘要】：目的:利用高分辨率CT、MRI及尸體解剖方法,重建包括正常人體手腕關節(jié)的骨組織、韌帶及三角纖維軟骨盤的精細三維有限元模型,并對其精確性進行驗證。方法:1、正常人體腕關節(jié)三維有限元精細模型的建立:根據(jù)CT圖像和MRI圖像分別對骨組織、軟組織顯影明顯的特點依次建立正常人體腕關節(jié)骨組織及軟組織的三維有限元模型。選取一具新鮮冷凍男性上肢標本,分別使用德國西門子CT機及荷蘭Philips公司生產(chǎn)的64排高分辨率螺旋核磁共振機,設置機器掃描層厚為0.625mm、掃描間隔為0.625mm、重復時間為1500ms、恢復時間為15.0/1ms、平均時長為6:58:SL3mm、視野為230mm×230mm、矩陣為256×256的T1WI序列,掃描區(qū)域為右前臂下端以遠區(qū)域,包括尺橈骨下段、全部腕關節(jié)、掌骨、指骨及軟組織結(jié)構(gòu)。將全部CT及MRI掃描數(shù)據(jù)以Dicom格式輸出,經(jīng)仔細對照與鑒別確定其無手腕部疾患后導入Mimics 10.0軟件中,調(diào)整CT圖像閾值以選擇全部骨組織,并經(jīng)過區(qū)域增長、三維建模及表面光滑處理后,完成手腕部骨組織粗糙模型的重建。再次調(diào)整MRI數(shù)據(jù)閾值,依次選擇各部分關節(jié)囊、韌帶及三角纖維軟骨盤。各軟組織間的閾值相似,MRI圖像難以精確區(qū)分,采用尸體解剖與MRI圖像對照的方法,仔細解剖腕關節(jié)各部分韌帶、肌腱及軟骨盤,測量各部分軟組織的起止點、厚度等數(shù)據(jù),同時與MRI圖像進行對照,將各部分肌腱、韌帶及關節(jié)盤進行辨別、分割、重建,得到粗糙的手腕部軟組織模型。將全部數(shù)據(jù)以點云格式(Point Cloud)輸出,導入Geomagic studio 10.0軟件中,依次經(jīng)過點階段、面階段、多邊形處理及曲面劃分階段,將各骨骼、肌腱、韌帶及關節(jié)盤組織粗糙模型進行輪廓松弛、封裝、光滑、構(gòu)建曲面片處理,部分轉(zhuǎn)角及曲面片的修理需手動操作,得到了較為精細并符合解剖位置的手腕部骨組織模型。以腕關節(jié)骨組織為工作坐標系,根據(jù)手腕部各組織的尸體解剖關系,仔細調(diào)整各軟組織及骨骼的方向、位置,使其精確復位。將模型以igs格式輸出后,再導入至Ansys 12.0軟件中,經(jīng)過定義單元模型、材料屬性、劃分網(wǎng)格后,得到了較為精細且完整的手腕關節(jié)三維有限元模型。模型中腕骨間的微動關節(jié)采用了軟骨連結(jié)方式進行連接,活動性較大的如橈腕關節(jié)、掌指關節(jié)等則采用各組接觸單元進行連結(jié)。2、正常人體腕關節(jié)三維有限元精細模型的驗證:使用Ansys 12.0軟件打開上述手腕關節(jié)三維有限元模型,以尺、橈骨近端設定為固定點,在各掌骨頭施加100N的軸向壓力,計算在此壓力下橈腕關節(jié)面的接觸應力分布情況,并與文獻報告中采用力學研究方法得到的壓力情況相比較,以驗證使用本實驗方法重建的手腕關節(jié)三維有限元精細模型的準確性。結(jié)果:本實驗中,首次采用MRI圖像與尸體解剖相結(jié)合的方式,建立了精確的手腕關節(jié)三維有限元精細模型。該模型包括了尺、橈骨下段(各1塊)、全部腕骨(共8塊)、掌骨(共5塊)、關節(jié)囊、三角纖維軟骨盤、橈月韌帶、橈舟韌帶等結(jié)構(gòu)。該模型共包括節(jié)點829345個、實體單元42154個、接觸單元739個。在對各掌骨頭施加100N的軸向壓力下,舟骨傳導至橈腕關節(jié)的接觸應力為5.3 Mpa,月骨傳導至橈腕關節(jié)的接觸應力為3.0 Mpa,二者之比為1.767,與文獻報告中采用力學研究方法得到的壓力情況相符,因而證明了本實驗方法所構(gòu)建的手腕關節(jié)三維有限元精細模型的真實性與合理性。結(jié)論:使用MR圖像與尸體解剖相結(jié)合的方法構(gòu)建的手腕部三維有限元精細模型,各解剖結(jié)構(gòu)精確,對位關系合理,操作較為簡單,實驗可行性強,為人體復雜結(jié)構(gòu)的三維有限元模型的構(gòu)建提供了新的思路與方法,同時也為腕部乃至其他部位的生物力學研究提供了新的研究思路與方法。
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【學位授予單位】：天津醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R68

【參考文獻】

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1 李建峰;吳金英;李海雷;劉井達;趙亮;李大村;;拇指腕掌關節(jié)韌帶的解剖學特點及其臨床意義[J];中國臨床解剖學雜志;2016年06期

2 杜傳超;肖滋潤;熊革;任爽;榮起國;張衡;;月骨矢狀面二維有限元模型的建立及其有限元分析[J];中華手外科雜志;2016年01期

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本文編號：2430663