發(fā)布時間：2020-07-23 18:06

【摘要】：目的重建膝關(guān)節(jié)三維模型,通過有限元分析法(Finite Element Analysis,FEA)評估分析PCL支架半月板替代物在膝關(guān)節(jié)中的生物力學(xué)變化。方法通過MRI掃描志愿者膝關(guān)節(jié)獲取平面圖像數(shù)據(jù),利用Mimics建立包括股骨、脛骨、腓骨、股骨髁及脛骨平臺關(guān)節(jié)軟骨、內(nèi)外側(cè)半月板、韌帶在內(nèi)的完整膝關(guān)節(jié)三維幾何模型,通過Abaqus進(jìn)行模型離散,賦予材料屬性、邊界設(shè)定及負(fù)荷加載建立膝關(guān)節(jié)三維有限元模型,通過計算脛骨平臺的接觸面積與既往文獻(xiàn)對比驗(yàn)證模型有效性。通過生物力學(xué)測試機(jī)測試PCL材料屬性,PCL材料屬性數(shù)值替換有限元模型中的半月板材料屬性,建立PCL半月板的模型,計算在1400N股骨軸向壓力下的半月板位移和接觸壓力變化。通過刪除正常膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)半月板單元和節(jié)點(diǎn),建立內(nèi)側(cè)半月板切除術(shù)后的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。計算和對比分析在1400N股骨軸向垂直壓力下三種膝關(guān)節(jié)模型在股骨髁關(guān)節(jié)軟骨和脛骨平臺關(guān)節(jié)軟骨的壓縮應(yīng)力變化。結(jié)果建立了包括股骨、脛骨、腓骨、股骨髁及脛骨平臺關(guān)節(jié)軟骨、內(nèi)外側(cè)半月板、韌帶在內(nèi)的完整膝關(guān)節(jié)三維有限元模型,在200N、400N、700N股骨軸向壓力下計算脛骨平臺關(guān)節(jié)接觸面積與既往文獻(xiàn)對比驗(yàn)證模型有效。在1400N股骨軸向壓縮載荷下健康膝關(guān)節(jié)模型內(nèi)外、側(cè)半月板位移為0.83mm和1.76mm,PCL模型內(nèi)、外側(cè)半月板位移為1.15mm和2.20mm,健康膝關(guān)節(jié)模型脛骨平臺和股骨髁關(guān)節(jié)軟骨的最大接觸壓力分別為4.20MPa和4.14MPa,在PCL半月板模型脛骨平臺和股骨髁關(guān)節(jié)軟骨最大接觸壓力增加為4.63MPa和4.55MPa。在健康膝關(guān)節(jié)內(nèi)、外側(cè)脛骨平臺關(guān)節(jié)軟骨最大壓縮應(yīng)力分別為2.5MPa和1.7MPa,在內(nèi)、外側(cè)股骨髁關(guān)節(jié)軟骨最大壓縮應(yīng)力分別為2.7Mpa和2.1Mpa。在內(nèi)側(cè)半月板完整切除模型中,內(nèi)、外側(cè)脛骨平臺關(guān)節(jié)軟骨最大壓縮應(yīng)力分別為9.0MPa和7.0MPa,分別較健康模型增長260.0%和311.7%,內(nèi)、外側(cè)股骨髁關(guān)節(jié)軟骨最大壓縮應(yīng)力分別為8.5Mpa和7.8Mpa。分別較健康模型增長214.8%和271.4%。而當(dāng)將內(nèi)側(cè)半月板替換為PCL的模型中,內(nèi)、外側(cè)脛骨平臺關(guān)節(jié)軟骨最大壓縮應(yīng)力分別為2.7MPa和1.8MPa,分別較健康模型增長8.0%和5.9%。內(nèi)、外側(cè)股骨髁關(guān)節(jié)軟骨最大壓縮應(yīng)力分別為3.0Mpa和2.2Mpa。分別較健康模型增長11.1%和4.8%。結(jié)論P(yáng)CL材料支架在膝關(guān)節(jié)三維有限元模型中可達(dá)到具有較好的生物力學(xué)能力,并且能夠大大降低半月板切除后股骨髁及脛骨平臺關(guān)節(jié)軟骨的應(yīng)力,可達(dá)到保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨的目的,為PCL組織工程半月板的進(jìn)一步研究提供了生物力學(xué)依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：錦州醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R684
【圖文】：

圖 1 原始 DICOM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Mimics17 軟件中（1）股骨與脛骨幾何模型的構(gòu)建其中，骨松質(zhì)灰度區(qū)域?yàn)?39-160，骨皮質(zhì)的灰度區(qū)域?yàn)?0-25。并通過區(qū)域增長功能提取相應(yīng)組織像素形成一個蒙板（mask）。然后利用圖像編輯功能中的Draw 和 Erase 功能對蒙版進(jìn)行修補(bǔ)和填充一些空洞，缺損和不規(guī)則的邊界或者擦除不需要的部分，使圖像更接近真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)。最后將分割出來的二維圖像進(jìn)行三維重建，獲得膝關(guān)節(jié)模型的各個部件。初步生成的 3D 模型表面比較粗糙，為了達(dá)到較好的平滑效果，采用 Smooth 功能對其進(jìn)行預(yù)處理，最終得到平滑后的三維模型。最后將三維模型以.stl 格式導(dǎo)出。Mimics 中導(dǎo)出的.stl 模型雖然在外觀上為三維形式，但其不是實(shí)體結(jié)構(gòu)，而是由許多小三角面片拼接而成。這就需要通過 Geomagic Studio 軟件處理使其成為有由 NURBS 曲面表達(dá)的實(shí)體結(jié)構(gòu)用于后續(xù)有限元的仿真模擬。在 GeomagicStudio 中主要用到“多邊形”與“精確曲面”兩個模塊功能。

stl 文件導(dǎo)入 Geomagic 中后首先采用網(wǎng)格醫(yī)生命令對其尖狀物、自相交區(qū)域進(jìn)行檢查，點(diǎn)擊“應(yīng)用”進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)完成后模型仍然存在著各種缺陷，使用快速平滑功能進(jìn)行平滑，然弛按鈕，使用砂紙功能對模型表面仍存在的微小的凹槽和突起進(jìn)行局部至其表面光順。直到使用網(wǎng)格醫(yī)生命令沒有錯誤提示后，然后進(jìn)行精確

圖 3 膝關(guān)節(jié)骨組織經(jīng) Geomagic Studio 軟件優(yōu)化后的三維模型（2）半月板幾何模型的構(gòu)建半月板在 MRI 圖像上的灰度值范圍很窄（灰度區(qū)域?yàn)?0-39），與周圍軟度值差異不是很明顯。為了較好的把半月板從周圍軟組織中分割出來，狀位、矢狀位、軸狀位上利用軟件的修剪蒙板功能對半月板蒙板進(jìn)行裁利用動態(tài)區(qū)域增長功能提取內(nèi)、外側(cè)半月板的像素，分別形成內(nèi)、外側(cè)板。然后利用 Edit masks 的 Draw 和 Erase 功能對蒙板進(jìn)行修補(bǔ)和填充和空洞，以及擦除一些不需要的部分。最后用 3D calculation 獲得內(nèi)、板的三維幾何模型。經(jīng)過初步平滑后從 Mimics 中以.stl 格式導(dǎo)出。然后omagic Studio 軟件，對半月板三維模型進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化、修飾、平滑。如。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 章亞東;侯樹勛;衷鴻賓;張軼超;羅殿中;史亞民;;膝關(guān)節(jié)鏡下同種異體半月板移植術(shù)(附2例初步報告)[J];中國矯形外科雜志;2007年10期

2 王巖,周飛虎,周勇剛,崔建;國人正常膝關(guān)節(jié)三維幾何形態(tài)測量及相關(guān)研究[J];中國矯形外科雜志;2004年08期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 包呼日查;內(nèi)、外側(cè)半月板后根部完全撕裂對膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)影響的有限元分析[D];吉林大學(xué);2013年

本文編號：2767658