膝关节断层影像解剖学研究及有限元建模的探索

摘要

目的和意义：
　　 膝关节是人体最大、最复杂且最易受损伤的负重关节。由于膝关节的复杂解剖构造及多轴化的运动方式,致膝关节损伤和疾患的发病率较高。目前对膝关节疾病的诊断主要是借助影像学手段。但由于膝关节解剖结构相对复杂,常规X线平片、轴位断面计算机断层扫描(Computerized tomography,CT)图像及核磁共振成像(Magneticresonance imaging,MRI)扫描在准确客观的评价诊断膝关节疾病中各有其优缺点,然而,作为CT、MRI诊断基础的膝部断层解剖学研究报道却较少,缺乏相应的解剖数据。膝关节的三维重建及可视化研究对解剖学和临床诊疗均具有重要意义。膝关节有限元模型是基于有限元法建立的对模型的各个组成部分赋予材料性质、施加边界条件及设定的膝关节三维模型,通过赋予膝关节模型不同组织相应的材料学性质,利用有限元分析软件的强大功能可以进行结构的有限元分析,模拟膝关节各部分在各种负载条件下的应力分布和变化,从而进一步了解膝关节的生物力学特性。本研究利用膝关节横、矢、冠三维断面标本和MRI三维断面图像,对膝关节及相关形态结构(如半月板、交叉韧带等)进行观测,以期为临床膝关节疾病的诊疗提供更为直观和真实的形态学依据;同时应用活体膝关节薄层MRI断层影像资料,通过三维重建软件建立膝关节可视化数字模型,并在此基础上建立膝关节有限元模型。通过对膝关节的三维建模,拟探索膝关节三维有限元模型建立的方法,为进一步行膝关节有限元分析及虚拟手术奠定基础。
　　 材料与方法：
　　 1.利用27例膝关节断面解剖标本,从横、矢、冠状断面三维角度观测膝关节及周围结构的断面形态特征和变化规律,并对其进行定量分析。
　　 2.选取正常成人活体膝关节100例MRI薄层扫描图像资料,从三维角度观测膝关节及周围结构的断面形态特征和变化规律,并对其进行定量分析。
　　 3.选用1例志愿者的右侧膝关节MRI扫描数据,采集二维图像数据,利用Materialise公司的交互式医学图像控制系统(Materialise'sInteractive Medical Image Control System,Mimics)10.0医学三维重建软件,重建膝关节的三维模型;并将三维可视化模型导入Ansys有限元分析软件建立膝关节三维有限元模型。
　　 结果：
　　 第一部分:膝关节断层影像解剖学研究
　　 在断面标本矢状面上,内侧半月板(medial meniscus,MM)矢径为(40.36±4.73)mm,前角高度为(4.98±1.83)mm,后角高度为(4.45±1.44)mm;外侧半月板(lateral meniscus,LM)矢径为(34.51±2.18)mm,前角高度为(3.54±1.24)mm,后角高度为(6.15±1.43)mm;胫骨内侧平台矢径为(46.78±3.19)mm,胫骨外侧平台矢径为(43.59±1.78)mm。MM矢径占胫骨内侧平台矢径的(86.61±11.06)％,LM矢径占胫骨外侧平台矢径的(69.08±28.04)%。MM矢径大于LM,LM后角高度大于MM,并且大于同侧前角。前交叉韧带(anteriorcruciate ligament,ACL)的长度为(29.66±4.21)mm,厚度为(10.03±1.97)mm,股骨附着区长度为(13.84±6.11)mm,胫骨附着区长度为(28.08±6.90)mm;后交叉韧带(posterior cruciate ligament,PCL)的长度为(40.26±6.81)mm,厚度为(11.24±3.50)mm,股骨附着区长度为(24.00±10.13)mm,胫骨附着区长度为(14.28±5.52)mm。ACL长度、股骨附着区长度小于PCL,胫骨附着区长度大于PCL,ACL、PCL厚度则无明显差别。
　　 在影像图像矢状面上,男、女性MM矢径分别为(41.55±2.44)mm、(36.84±2.37)mm,前角高度分别为(6.85±1.15)mm、(6.24±1.08)mm,后角高度分别为(6.53±1.28)mm、(5.47±0.89)mm;男、女性LM矢径分别为(33.91±2.57)mm、(31.01±2.51)mm,前角高度分别为(4.74±0.89)、(4.69±1.26)mm,后角高度分别为(6.61±0.64)mm、(6.42±0.90)mm。男、女性胫骨内侧平台矢径分别为(43.79±2.90)mm、(39.75±2.73)mm,胫骨外侧平台矢径分别为(43.93±3.40)mm、(40.20±2.61)mm。男、女性MM矢径分别占胫骨内侧平台矢径的(95.09±5.78)%、(77.57±7.52)%,LM矢径分别占胫骨外侧平台矢径的(92.82±4.92)%、(77.33±6.47)%。除LM前后角高度外,各指标均为男性大于女性,差别有统计学意义(P＜0.05)。MM矢径、前角高度均大于LM;女性LM后角高度大于MM,而男性半月板后角高度内、外侧无明显差异。女性MM后角高度小于前角,而男性MM无前后角差异;男性LM后角高度则均大于前角。男、女性ACL长度分别为(36.97±4.01)mm、(32.83±4.16)mm,厚度分别为(8.94±2.33)mm、(7.97±2.20)mm,股骨附着区长度分别为(11.91±2.68)mm、(10.37±1.97)mm,胫骨附着区长度分别为(13.27±3.33)mm、(11.88±2.97)mm;男、女性PCL长度分别为(39.07±3.78)、(34.11±3.72)mm,厚度分别为(5.31±1.06)mm、(5.07±1.22)mm,股骨附着区长度分别为(9.32±2.00)mm、(9.07±1.75)mm,胫骨附着区长度分别为(13.04±4.03)mm、(12.53±3.40)mm。ACL长度、厚度、韧带附着区长度均为男性大于女性,差别有统计学意义(P＜0.05);PCL除长度男性大于女性外,其余指标男女性之间均无明显差异。ACL长度小于PCL,其厚度及股骨附着区长度大于PCL,胫骨附着区长度则无明显差异。
　　 在冠状断面标本上,MM前角宽度为(17.72±4.00)mm,横径为(30.46±3.09)mm;体部高度为(5.59±0.89)mm,宽度为(8.45±1.59)mm,横径为(33.81±1.76)mm;后角宽度为(20.54±3.77)mm,横径为(32.05±2.19)mm。LM前角宽度为(20.11±1.74)mm,横径为(29.43±3.24)mm;体部高度为(6.67±1.01)mm,宽度为(11.03±1.78)mm,横径为(35.58±2.71)mm;后角宽度为(19.20±5.24)mm,横径为(30.92±2.12)mm。胫骨平台宽度为(70.00±3.46)mm。MM体部宽度占胫骨平台宽度的(12.07±2.16)%,LM体部宽度占(15.77±2.57)%。LM体部高度、宽度及横径均大于MM,而前后角宽度、横径两者无明显差异。MM后角高度、宽度均大于前角,横径前后角无明显差异;LM后角高度大于同侧前角,宽度及横径无明显差异。半月板板股韧带出现率为75.00%。ACL冠面长径为(15.18±3.25)mm,短径为(6.37±1.32)mm,股骨附着区宽度为(8.13±1.55)mm,胫骨附着区宽度为(16.06±5.51)mm;PCL长径为(18.79±3.35)mm,短径为(8.03±1.46)mm,股骨附着区宽度为(21.09±6.05)mm,胫骨附着区宽度为(11.79±6.23)mm。PCL宽度及股骨附着区宽度大于ACL,而胫骨附着宽度则是ACL大于PCL。
　　 在冠状影像图像上,男、女性MM前角宽度分别为(13.83±6.31)mm、(12.91±6.56)mm,横径分别为(23.46±10.35)mm、(21.63±10.73)mm;体部高度分别为(6.22±1.18)mm、(5.72±0.92)mm,宽度分别为(8.56±1.89)mm、(7.58±1.61)mm,横径分别为(36.03±2.57)mm、(33.29±2.15)mm;后角宽度分别为(22.01±2.62)mm、(19.22±2.56)mm,横径分别为(31.54±2.82)mm、(28.43±2.62)mm。男、女性LM前角宽度分别为(20.11±1.74)mm、(18.86±2.70)mm,横径分别为(29.43±3.24)mm、(29.90±2.90)mm;体部高度分别为(7.22±1.01)mm、(6.81±1.31)mm,宽度分别为(11.03±1.78)mm、(11.31±3.00)mm,横径分别为(36.86±2.85)mm、(32.69±1.92)mm;后角宽度分别为(21.96±3.27)mm、(20.04±2.69)mm,横径分别为(32.38±3.39)mm、(28.84±2.83)mm。胫骨平台宽度分别为(74.34±3.88)mm、(66.57±3.11)mm。男、女性MM体部宽度分别约占胫骨平台宽度的(11.49±2.31)%、(11.39±2.43)%,LM体部宽度分别约占(15.21±3.87)%、(15.48±2.96)%。MM除前角宽度及横径无性别差外均是男性大于女性,差别有统计学意义(P＜0.05);LM前、后角宽度、横径及体部横径均存在性别差异(P＜0.05),体部高度和宽度男女之间无明显差别。半月板前角宽度、横径、体部高度、宽度均是LM大于MM,后角宽度、横径两者无明显差异。男性LM体部横径大于MM,而女性两者间差别无统计学意义。MM、LM后角宽度及横径均大于同侧前角。板股韧带出现率为70.00%。男、女性ACL宽度分别为(7.42±1.70)mm、(7.04±1.21)mm,股骨附着宽度分别为(17.29±2.69)mm、(15.61±2.29)mm,胫骨附着宽度分别为(12.96±1.85)mm、(12.24±1.78)mm;PCL宽度分别为(8.52±1.00)mm、(7.92±1.14)mm,股骨附着宽度分别为(8.93±1.77)mm、(9.09±1.79)mm,胫骨附着宽度分别为(10.74±1.12)mm、(10.34±1.01)mm。男、女性胫侧副韧带(tibialcollateral ligament,TCL)长度分别为(103.22±8.28)mm、(92.91±6.71)mm,厚度分别为(3.11±0.62)mm、(2.69±0.50)mm;腓侧副韧带(fibularcollateral ligament,FCL)长度分别为(47.43±4.10)mm、(43.53±3.21)mm,厚度分别为(3.26±0.66)mm、(3.19±0.61)mm。ACL股骨附着区宽度、PCL宽度、TCL长度及宽度、FCL长度存在性别差异(P＜0.05),男性大于女性,其余指标男女性无明显差别。PCL宽度大于ACL,而ACL股骨及胫骨附着区宽度均大于PCL。
　　 连续的横断面显示半月板信息较少,一般仅出现在一个层面中,且前、后角与体部不能同时显示。在髁间隆起的横断面上,ACL长径为(23.60±11.97)mm,短径为(7.53±2.83)mm;PCL长径为(15.23±3.84)mm,短径为(11.08±4.65)mm;TCL长度为(21.98±11.95)mm,厚度为(2.03±0.59)mm;FCL长度为(5.25±1.93)mm,厚度为(2.87±0.64)mm。
　　 第二部分:膝关节三维数字化重建与有限元模型的建立
　　 利用MRI数据,成功建立膝关节三维可视化模型,所获得的三维模型几何形态逼真、解剖标志明显,通过调节骨性结构的透明度,可以清晰显示韧带、半月板等与相关结构的解剖位置关系。模型可以不同颜色、任意组合显示,可进行放大、缩小、旋转等多方位观察。可将三维模型图像保存为BMP或JPEG格式,或录制成AVI格式的视频输出动态显示,其播放画面清晰流畅。将三维可视化模型导入到有限元分析软件中,成功建立了膝关节三维有限元模型,并可以进一步进行膝关节有限元分析。
　　 主要结论：
　　 1.通过膝关节断面标本及MRI断层影像图片的连续观察,在横、矢、冠三维方位上描述膝关节半月板、韧带在断面上的表现及毗邻关系,并探讨了相关结构的最佳显示层面及形态变化规律。
　　 2.半月板的影像测量与断面测量存在差异,可能与测量方法、个体差异等因素有关。通过对半月板的观测分析,进一步揭示了内外侧半月板损伤的形态学基础,同时,提出了鉴别诊断盘状半月板和小半月板及半月板移植物选择的形态学依据。
　　 3.交叉韧带与侧副韧带的测量结果存在差异,亦可能与测量方法、个体差异等因素有关。通过对交叉韧带、侧副韧带的断层影像观察与测量,其形态学资料将有助于对韧带损伤的诊断、治疗及重建等。
　　 4.采用膝关节MRI扫描数据,利用Mimics软件可以分割提取骨性结构、半月板、韧带等重要结构,重建膝关节可视化三维模型,其三维模型有助于解剖学研究和诊疗手术方案的设计及制定;将三维模型导入Ansys有限元分析软件,可成功建立膝关节有限元模型,为进一步进行膝关节生物力学分析奠定基础。