基于動(dòng)態(tài)三維運(yùn)動(dòng)模型的股關(guān)節(jié)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)軌跡和關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的重建

基于動(dòng)態(tài)三維運(yùn)動(dòng)模型的股關(guān)節(jié)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)軌跡和關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的重建

三股關(guān)節(jié)疾病是臨床上常見的臨床疾病。目前，常用的治療方法如“松解外側(cè)支持、緊張內(nèi)側(cè)支持、脛骨結(jié)節(jié)波動(dòng)”，仍然很難獲得令人滿意的長期效果。膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后，大腿關(guān)節(jié)的并發(fā)癥可達(dá)41%。1材料和方法1.1研究主題選擇1名健康成年男性,年齡30歲,體重65kg,身高172cm,身體質(zhì)量指數(shù)21.97kg/m1.2mr圖像掃描和提取1.2.1掃描膝關(guān)節(jié)正確位置為構(gòu)建完整屈膝過程的三維模型,從膝關(guān)節(jié)伸直位到最大屈曲位之間選擇0°、30°、60°、90°和120°5個(gè)屈膝角度分別進(jìn)行MRI掃描。掃面儀為德國西門子(MAGNETOMVerio)3.0T磁共振掃描儀。受試者采用側(cè)臥位,右側(cè)肢體在下,使用非磁性支具固定膝關(guān)節(jié)于相應(yīng)屈膝角度,柔性線圈固定在支具外側(cè),掃描時(shí)盡量使右膝關(guān)節(jié)接近磁場(chǎng)中心。掃描參數(shù)如下:場(chǎng)強(qiáng)3.0T,視野(180×180)mm1.2.2骨-脛骨海表區(qū)域劃分將MR掃描所獲取的5個(gè)角度影像資料以Dicom格式分別導(dǎo)入Mimics軟件(Materialise,Inc.Belgium)中,采用專門針對(duì)MR圖像進(jìn)行區(qū)域劃分的3Dlivewire功能進(jìn)行骨與軟組織的輪廓勾畫。選擇髕骨和股骨的骨性結(jié)構(gòu),在冠狀位和軸位視圖上進(jìn)行適當(dāng)?shù)膌ivewire分割后即可在矢狀位上顯示出所需要的目標(biāo)輪廓。因?yàn)槭笭钗粸镸R掃描相,故應(yīng)充分利用矢狀位視圖進(jìn)行精細(xì)的區(qū)域分割。完成輪廓分割后進(jìn)行3D計(jì)算即可生成相應(yīng)屈膝角度的三維模型,根據(jù)模型和解剖結(jié)構(gòu)可再次對(duì)所分割的輪廓進(jìn)行必要的調(diào)整,使用remesh功能可以對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行表面光順、減少三角形等運(yùn)算,最終得到經(jīng)過優(yōu)化后的模型,以STL格式保存。1.3維坐標(biāo)系配準(zhǔn)將上述5個(gè)STL格式的靜態(tài)模型導(dǎo)入逆向工程軟件Rapidform(INUSTechnology,Inc.Korea)中進(jìn)行同一三維坐標(biāo)系的配準(zhǔn),即將股骨長軸設(shè)為Z軸,將股骨后髁線所在直線設(shè)為X軸,垂直于這兩條軸線的直線設(shè)為Y軸?？紤]到在不同屈膝角度情況下軟骨組織的形變有所不同,而骨組織的形變較少,所以采用骨性結(jié)構(gòu)進(jìn)行配準(zhǔn)。通過三維坐標(biāo)配準(zhǔn)技術(shù)使5個(gè)屈膝角度下的股骨模型相互重合,從而得到髕骨在0°、30°、60°、90°、120°屈膝角度下靜態(tài)模型的集合(圖2)。利用上述5個(gè)靜態(tài)角度的分點(diǎn)模型,采用三次樣條插值算法1.4模型驗(yàn)證為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,將所得髕骨運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)與既往文獻(xiàn)中在體試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比1.5旋轉(zhuǎn)軸以外的點(diǎn)的距離髕股關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸是指在屈膝過程中到髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡的距離保持相對(duì)恒定的軸線,而旋轉(zhuǎn)軸以外的點(diǎn)到運(yùn)動(dòng)軌跡的距離則會(huì)在屈膝過程中發(fā)生相應(yīng)的變化,根據(jù)這一原理。在RapidForm軟件中,將股骨的曲面片模型轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云模型2結(jié)果2.1骨運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算本研究通過靜態(tài)MR掃描和Mimics軟件分割、3D計(jì)算等操作過程,成功重建了五個(gè)髕股關(guān)節(jié)靜態(tài)三維模型。將所建五個(gè)靜態(tài)模型在RapidForm軟件中進(jìn)行配準(zhǔn),采用三次樣條插值算法成功計(jì)算出髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡。從伸直位到最大屈膝角度,隨著屈膝角度的加深,髕骨將不斷俯屈,即髕骨縱軸與Z軸的夾角將不斷增加;同時(shí),髕骨橫軸與X軸的夾角增加,即屈膝過程中髕骨將輕度向外傾斜;在髕骨不斷俯屈、傾斜的同時(shí),髕骨下極由內(nèi)向外輕度旋轉(zhuǎn)。由此可知,髕骨并不是只在單純矢狀面上的俯屈運(yùn)動(dòng),而是在三個(gè)坐標(biāo)軸六個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)。已知整個(gè)屈膝過程中髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡,將股骨看作靜止參照系,在三維模型中髕骨相對(duì)于股骨的運(yùn)動(dòng)過程即構(gòu)成了髕股關(guān)節(jié)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)三維運(yùn)動(dòng)模型。2.2模型驗(yàn)證經(jīng)過對(duì)比,本研究計(jì)算出的髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡與既往文獻(xiàn)2.3股關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的計(jì)算利用所建髕股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型和髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡,在三維坐標(biāo)系中采用云點(diǎn)法,利用股骨云點(diǎn)結(jié)構(gòu)的坐標(biāo),找出在屈膝過程中到髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡所在垂線的距離相對(duì)恒定的點(diǎn)所在區(qū)間,該區(qū)間位于股骨后髁范圍內(nèi),即認(rèn)為髕股關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸即在該區(qū)間內(nèi),并取區(qū)間中股骨髁最內(nèi)和最外的兩點(diǎn)連線作為近似旋轉(zhuǎn)軸,得出髕股關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸位于股骨通髁線附近。3本研究結(jié)果的分析隨著計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)技術(shù)的發(fā)展,準(zhǔn)確的三維重建是術(shù)前設(shè)計(jì)及手術(shù)模擬的重要保證,能夠幫助手術(shù)醫(yī)師準(zhǔn)確地判斷病理變化、規(guī)劃手術(shù)方法、模擬手術(shù)結(jié)果,達(dá)到更加精確、個(gè)性化的手術(shù)要求既往所構(gòu)建的膝關(guān)節(jié)模型大都是靜態(tài)模型,且圖像資料采集過程中存在大量輻射傷害,建模程序復(fù)雜,針對(duì)這些不足,本研究創(chuàng)立了一種基于靜態(tài)MRI掃描構(gòu)建髕股關(guān)節(jié)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)三維運(yùn)動(dòng)模型的方法,能夠快速、準(zhǔn)確、無輻射地構(gòu)建髕股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型。所建模型在Mimics、RapidForm等軟件中可以從不同角度直觀地查看和測(cè)量,也可以導(dǎo)入ABAQUS、ANSYS等有限元軟件中進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)分析,比既往文獻(xiàn)中所建的單角度靜態(tài)模型有了很大的進(jìn)步。本研究中樣本的年齡30歲、身高172cm、體重65kg、都在以往文獻(xiàn)的范圍內(nèi):年齡(26.7±8.8)歲,體重(67.5±12.7)kg,身高(172.3±7.5)cm,通過對(duì)比,本研究結(jié)果中髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡在以往文獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)差范圍之內(nèi),而兩者之間的差異可能由于樣本差異、坐標(biāo)配置、負(fù)重情況等原因?qū)е碌?。髕骨脫位時(shí)屈膝過程中髕骨會(huì)偏向滑車外側(cè),高位髕骨時(shí)髕骨進(jìn)入滑車溝較慢,這些病理狀態(tài)下的髕骨軌跡與本研究中正常樣本的髕骨軌跡顯然是不同的,所以將髕骨軌跡作為判斷髕股關(guān)節(jié)病理狀態(tài)是科學(xué)、可行的。因?yàn)轶x骨的運(yùn)動(dòng)軌跡是三個(gè)平面六個(gè)自由度上變化的曲線,所以并不存在一條直線旋轉(zhuǎn)軸,而是應(yīng)該波動(dòng)在某一區(qū)間內(nèi),本研究表明髕股關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸波動(dòng)在股骨后髁范圍內(nèi),與既往文獻(xiàn)的結(jié)果也是一致的本研究也存在一些局限和不足:(1)本研究主要研究在體髕股關(guān)節(jié)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型的構(gòu)建,并以此模型計(jì)算出髕股關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸,盡管據(jù)此所計(jì)算出的髕骨軌跡和髕股關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸符合既往文獻(xiàn)的驗(yàn)證結(jié)果,但仍需要更多的樣本量支持;(2)模型構(gòu)建過程中對(duì)建模人員有一定的技術(shù)要求,利用軟件求解髕股關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸時(shí)也需要一定的學(xué)習(xí)周期;(3)本樣本只選擇了一例健康成年男性進(jìn)行研究,對(duì)于髕股關(guān)節(jié)排列紊亂的情況下髕骨軌跡、旋轉(zhuǎn)軸等情況需要