检索历史 清除

摘要包含骨与软组织的人体结构的三维模型在临床教学、疾病诊断和疗效评估等方面具有重要作用,也是人体三维可视化、虚拟手术模拟、医用快速原型制造和有限元分析等仿真应用的基础。如何对人体结构进行精确建模并进行多用途仿真应用是近年来医学仿真研究热点之一。本文主要通过对5例肢体肿瘤和1例正常膝关节精确建模,并进行多种临床和生物力学仿真应用,为人体复杂结构三维建模和仿真应用的可行性提供理论和实践基础。<br>　　利用三维重构软件,依据CT影像数据构建骨性结构的三维模型,依据MRI影像数据构建软组织结构的三维模型。以体内解剖标志为配准参考点,将肢体肿瘤骨性结构和软组织结构三维模型进行融合;以外部标记为配准参考点,将膝关节骨性结构和软组织结构三维模型进行融合。通过将各组织结构按照体内三维空间关系整合在一起,构建成包含骨和软组织结构的肢体肿瘤和膝关节的三维整体模型。<br>　　对5例肢体肿瘤的三维整体模型,分析模型的配准融合准确性和建模效率,评估各肿瘤局部特征及其与周围组织结构的毗邻关系,进行肿瘤的个体化术前评估和初步手术模拟。结果显示,三维模型的配准融合平均误差为2.02±0.46mm,建模平均时间为103±16分钟,各肿瘤模型清楚地显示了肿瘤的大小、形状、部位以及肿瘤与其周围结构的三维空间关系,手术模拟提供较适合的手术入路和肿瘤切除方法,指导临床完整切除肿瘤并缩短手术时间。<br>　　基于膝关节三维模型,通过有限元前处理软件对膝关节模型进一步处理,构建其三维有限元整体模型,对模型赋材料属性、建立边界条件和施加载荷,分析伸直状态下膝关节内的生物力学特征,并参考文献的相关数值验证模型有效性;以验证的膝关节三维有限元模型为基础,模拟股骨内髁关节软骨不同面积缺损、内侧半月板4种不同类型损伤和部分切除,进行膝关节内接触应力分布的有限元分析,探讨在关节软骨和半月板损伤及部分切除情况下膝关节退变的生物力学机制;对膝关节三维模型进行全膝关节置换术(Total Knee Arthroplasty,TKA)仿真截骨,植入TKA各假体组件,构建TKA膝关节有限元模型,进行膝关节内各假体组件接触应力分布的有限元分析,结合正交试验方法,优化TKA假体植入定位参数,降低聚乙烯衬垫上表面压应力峰值;利用膝关节三维模型,通过我们自行开发的膝关节瞬时旋转中心(Instant Center of Rotation,ICR)计算软件,研究在膝关节股骨髁内定位瞬时中心曲线(Instant Center Curve,ICC)的方法。结果表明正常膝关节内侧间室的接触压、挤压和剪切应力峰值均高于外侧间室,分别为3.24、3.00、3.34MPa,内、外侧间室接触面积为679和504mm2,有限元分析结果与文献报道的实验数据相吻合,从而验证了膝关节三维模型构建的有效性;股骨内髁关节软骨缺损面积达到1.00cm2后会导致膝关节内挤压和剪切应力峰值明显增加,提示1.00cm2可作为关节软骨缺损临床手术干预处理的面积“阈值”,内侧半月板4种类型损伤和部分切除都可引起膝关节内挤压和剪切应力峰值增高,其中以斜行损伤和纵向损伤部分切除后应力峰值增高最明显;股骨假体外翻6°、外旋3°、平移0mm植入和胫骨假体后倾0°、外旋-1°、前后平移0mm,内外平移0mm植入为最优定位参数组合,此时聚乙烯衬垫上表面压应力峰值最低;利用膝关节ICR计算软件,可以在股骨髁内定位ICC,内、外髁ICC均为“J”形曲线,并可测量曲线上任意ICR与股骨髁不同解剖标志的距离。<br>　　本研究中骨与软组织结构三维建模的方法,可以满足肢体肿瘤的三维可视化、术前评估和手术模拟的临床仿真需求,指导临床肿瘤的手术切除;包含骨与软组织结构的膝关节三维模型,经过进一步工程化处理,实现了正常和病态膝关节力学模拟、TKA假体植入和定位优化的生物力学仿真应用,以及膝关节ICC定位。此方法也适应于人体其他不同部位复杂结构的三维建模,并可根据不同临床和生物力学需求进行仿真应用。