基于CT、MRI的人体膝关节三维有限元模型的建立及应用

目的: 根据逆向工程的原理及有限元方法,利用人膝关节的CT与核磁共振图像数据,建立人体膝关节的三维有限元模型并分析前后交叉韧带缺损对膝关节的影响。 方法: 利用CT与MRI对健康男性左膝关节进行扫描,分别得到横切面与纵切面的层厚为1.25mm、1mm的连续图像资料。扫描结果导出刻盘存为DICOM格式并于个人电脑上利用Mimics 8.1软件根据图像资料结合软件自动功能与人工描绘等方法,分别建立基于CT与MRI图像数据的包括股骨、胫骨、腓骨、前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带、半月板在内的膝关节三维模型。并基于逆向工程的方法,使用Geomagic Studio 8软件对Mimics生成的模型进行进一步处理,包括光顺,打磨,生成Nurbs曲面等操作,然后生成IGES格式的三维几何模型。最后应用MSC. Patran 2005 r3软件对Geomagic Studio软件生成的几何模型进行有限元网格剖分并分析了在前后交叉韧带缺损对膝关节性能的影响。 结果: 本文基于逆向工程方法及医学图像数据建立了与解剖结构非常接近的人体膝关节三维有限元模型并分析了在正常及前后交叉韧带缺失时其他各韧带的受力情况。计算结果表明在前后交叉韧带分别缺失时,股骨相对胫骨位移较正常显著增大。 结论: 根据人体膝关节的CT、MRI医学图像数据,可以建立起忠实于人膝关节解剖结构的膝关节三维有限元模型,并可进一步进行有限元分析。分析结果验证了前后交叉韧带作为膝关节稳定装置的重要性。本文工作为进一步进行膝关节生物力学分析研究提供了方法与平台。