文摘

医学成像方法提出了基于智能有限元算法更好地诊断前交叉韧带损伤模型。CT三维有限元模型被用来预测的固定分前交叉韧带(ACL)股骨隧道。在这项研究中,19个受试者被选中时,8包括11名男性和女性。有7例左膝盖和右膝的12例;所有患者运动损伤。患者的膝关节的解剖结构转化为一个三维模型,运用有限元分析软件进行分割。模型的胫骨股骨外侧髁高原和保留。结果表明,Lysholm得分差异(D)在手术后6个月和1天,手术前作为因变量膝关节三维有限元模型的建立的软件。皮尔森相关分析的进行,不同 在统计学上意义重大。Dicom格式的原始图像通过CT扫描是模仿,没有任何格式转换预处理,避免了信息的损失,节省更多的时间,和减少了工作量。“阈值”的定义是用来完成骨骼轮廓的提取,实现自动化。建模速度和准确性的提高。

1。介绍

膝关节是最重要之一,人体关节容易受伤。在各种各样的膝关节的损伤,韧带损伤占很大比重。前交叉韧带(ACL)前交叉韧带,发病率最高的伤害在诊所。ACL损伤后,处理不当将严重影响患者膝关节的稳定性,甚至导致膝关节功能障碍或残疾。目前,关节镜ACL重建手术已成为最广泛使用的治疗ACL,保证患者膝关节功能恢复的ACL损伤。然而,传统的ACL重建手术仍有高失败率和手术后修正率,这主要是由于不准确的定位的ACL重建隧道在手术。最近的研究表明,准确定位ACL重建隧道在原始的生理、解剖附着点可以ACL的长度和位置接近正常,达到最好的重建效果,最大化和恢复膝关节的稳定性。近年来,计算机辅助ACL重建技术的临床应用有所改善的准确性在ACL重建胫骨和股骨隧道,把希望改善关节镜ACL重建和减少手术失败和修订1]。

膝关节退行性变和软骨损伤的ACL重建后最常见的并发症。原因可能是稳定和部分重建膝关节的生物力学属性尚未恢复,导致膝盖软骨和半个月。董事会的压力大于正常范围,造成过早转换损失,甚至一系列并发症。ACL重建成功的关键是恢复和维持正常的生物力学属性的膝盖软骨、半月板,其他结构在正常范围内,以避免ACL手术后常见的并发症。因此,有必要探索不同的ACL重建后膝盖软骨的生物力学特性。它可以提供必不可少的理论依据改善ACL重建ACL重建后,减少关节退行性变的发生率。许多条件限制传统的膝关节生物力学研究方法。他们中的大多数是基于尸体。是具有挑战性的研究膝关节软骨的生物力学属性ACL重建后,它是很难获得相关实验数据。通过建立膝关节三维有限元模型,本研究有效地分析关节软骨和半月板的生物力学性质在正常人和ACL重建后。 It compared the biomechanical test data and related information of the knee joint ACL, cartilage, and meniscus after different ACL reconstructions and discussed the advantages of computer-assisted ACL reconstruction technology to help determine the best method for ACL reconstruction. At the same time, the mechanism of knee anterior cruciate ligament injury under different motion and stress states is analyzed and studied, and biomechanical information related to ligament injury is obtained, which provides the experimental basis for further research on the finite-element model of the knee joint in the future.

ACL损伤会导致长期的后遗症,如半月板损伤、软骨损伤,早期骨关节炎的风险增加。尽管ACL重建是一个常规治疗年轻或活跃的患者,研究显示ACL重建不降低早期骨关节炎影像学的风险。王等人报道,78%的205名男性足球运动员ACL损伤成像变化14年后,不管他们是否接受治疗(2]。同样,刘等人报道,82%的女性足球运动员ACL损伤后成像变化12年(3]。

初始因素引起的早期膝关节OA ACL包括随行半月板损伤、关节软骨损伤、软骨下骨损伤。膝关节受伤的炎性细胞因子升高可能导致退行性变化。此外,持续韧带松弛会导致神经肌肉异常反馈和膝关节运动学,导致异常的接触应力,增加了半月板和关节软骨损伤。所有这些因素可以导致早期骨关节炎的发展。的前瞻性研究42例前交叉韧带损伤患者的膝盖,王等人表示,所有患者MRI检测软骨损伤时损伤(4]。软骨损失的风险横向间的膝盖和股骨内侧髁后1年翻了一倍,和髌骨软骨的风险损失的三倍。Marcian等人在MRI检查这些损伤的组织学变化。

软骨细胞退化将导致损失的蛋白多糖,软骨下骨细胞的坏死,微裂隙的形成。这些微裂隙会导致软骨内成骨。当膝盖在运动的压力下,它可能会导致进一步的退行性变化。最受伤的骨头擦伤在6个月内消失,和大约三分之一的膝盖开发新的骨髓损伤后2年内受伤。这些新的骨髓病变可能导致重复non-weight-bearing区域的应力集中导致microinjury。他们也可能导致滑液生化变化和减少保护关节表面的能力。

半月板损伤与前交叉韧带损伤的存在一直被报道。前交叉韧带损伤的发生率与内侧半月板损伤是25%至45%,与外侧半月板损伤是31%到65%。雪等人对膝关节骨关节炎的发病率10到15年仅在前交叉韧带损伤患者手术后和半月板损伤组(5]。关节空间狭窄的发生率为62%,80%,半月板损伤组,分别。赵等人随访482例ACL重建后平均7.6年(6]。只有3%的病人与正常软骨和半月板异常影像学表现。17年的随访研究的100多名患者ACL重建后,52%正常膝关节摄影,28%或确诊早期骨关节炎。近年来,许多学者提出了不同的膝关节生物力学模型和特定的研究进展。然而,由于膝关节的解剖结构的复杂性,组成材料的性质、运动形式,每个组件的载荷分布,它是不可能准确地描述各种膝关节的属性和行为。

提出了一种基于智能医学成像方法基于当前研究的有限元算法。CT三维有限元模型被用来预测股骨隧道的注视点的前交叉韧带手术前。Dicom格式的原始图像通过CT扫描是模仿,没有任何格式转换预处理,避免了信息的损失,节省了许多时间,减少工作量。“阈值”的定义是用来完成骨骼轮廓的提取,实现自动化。建模速度和准确性的提高。

2。临床数据

2.1。一般信息

ACL损伤患者住院6月13日,2019年。在19人最终资格包括在这项研究中,对29日11人,八个雌性约27。有7例的左膝盖和12例右膝盖,如表所示1。所有的患者运动损伤和膝关节不稳定影响的一面(软腿)。体检显示积极拉标志,积极前抽屉试验,和积极的轴移试验。核磁共振成像显示,18例直接完成ACL断裂的迹象和间接完成骨折1例的迹象。相关的,知情同意签署了这项研究。它已经通过了伦理道德委员会的中医药大学第一附属医院。

2.2。入选标准

(1)单侧膝关节前交叉韧带损伤和(2)积极前抽屉试验,积极拉测试,和积极影响膝关节的轴移试验证实了核磁共振成像。

2.3。排除标准

(1)PCL影响膝关节的损伤是结合创伤性关节炎的股骨外侧髁软骨表面,严重的退行性变化,股外侧髁骨折,骨坏死,骨肿瘤或其他形式的严重骨缺损或破坏,膝盖感染,肺结核的膝关节。(2)RCRL健康膝关节损伤是伴随着创伤性关节炎和严重退化的股骨外侧髁软骨表面,股外侧髁骨折,骨坏死,骨肿瘤或其他形式的严重骨缺损或破坏,膝盖感染,肺结核的膝关节。(3)ACL重建或其他手术影响骨骼和软组织的解剖位置进行健康的膝盖。(4)健康膝关节的屈伸范围不能达到90°∼0°由于关节僵硬,有限的运动,和融合由各种原因引起的。(5)由于内固定设备或外固定装置,右侧膝盖需要保持石膏固定,保持皮肤牵引或骨牵引。保持穿着外部固定器使屈伸运动未能达到90°∼0°。(6)CT检查由于怀孕和其他原因不能执行。(7)患者不同意或合作研究人员(7- - - - - -9]。

2.4。数据收集

螺旋CT是用于获得水平的受试者的右膝,包括中下游股骨中间和上部胫骨和腓骨,直接连续CT扫描的位置。在仰卧位,志愿者们被要求把他们的膝盖在扫描视野的中心,仍然保持纵轴,垂直于扫描部分身体的长轴。扫描条件:骨组织窗口选择,2毫米的间距,总共113层。扫描数据直接存储在Dicom 3.0标准。处理后,冗余数据删除,人工膝关节的三维几何模型建立了三维计算。在模拟的有限元分析模块,生成的三维实体模型mesh-divided和平滑。壳牌和减少三角形,分别用来消除小夹杂物,降低网格元素的数量,提高质量的三角形,并进行一个三角形自交测试nonintersecting三角形和错误的方面。该方法可以实现更精确的重建人体膝关节的三维实体模型(10]。

3所示。四个方法

3.1。建立三维有限元模型

进行三维可视化处理获得的CT数据,医学图像处理软件模拟是直接用于读取Dicom格式的数据,提取图像中灰度值的骨头,并调整阈值的灰度值范围不同的骨周围组织(11]。自动标记灰色值的选择范围和骨组织生成每层轮廓图像。指人类标本的物理形态,不同结构的图形描述的膝关节是手动根据不同序列的图像数据。设置前交叉韧带(ACL)和后交叉韧带(后交叉韧带),分别为(12]。PCL的二维图像,内侧副韧带(制程),外侧副韧带(拼箱)提取。区域增长后,不同地区被分割。每个图像层是由边缘分割处理,选择编辑和孔填充去除冗余数据。人工膝关节的三维几何模型建立了三维计算。在模拟的有限元分析模块,生成的三维实体模型mesh-divided和平滑。壳牌和三角形分别用来消除小夹杂物减少,减少网格元素的数量,提高三角形的质量,进行一个三角形自交测试nonintersecting三角形和坏的方面。实现更精确的重建人体膝关节的三维实体模型。

有限元分析模块模拟存储和输出网格文件的后缀。Lis)。表面网格模型转化为体网格模型在ANSYS,和人体膝关节三维有限元模型的建立(图1)。这个模型包括股骨中下游段、中间和胫骨和腓骨上段,ACL、PCL,制程,拼箱。模型由31800台和15914节点。整个模型的体积是591394毫米³,表面积是57005毫米²。

手术是在中央点进行内部打开股骨外侧髁的隧道。同样的高级医生做了手术,术前测量医生充当顾问定位表。四个半腱肌(对折)和股薄肌肌腱重建ACL损伤进行,和ACL树桩是尽可能保留。定位中心的点(一个点我)股骨隧道的口如下:膝盖弯曲90°,旁边的髌腱,下侧和胫骨平台关节线从内到外针插入到3.5毫米ACL,股外侧髁粘连区域,根据术前测量,探头测量的规模我近端股骨外侧髁软骨边缘,后软骨边缘距离,精确点,我将引导针的我通过上面的点对膝关节;胫骨隧道成立于一样的传统方式。四个半腱肌和股薄肌腱与ACL钢丝编织和固定循环。贪污被从胫骨隧道股骨隧道,将ACL钢索板外开放的股骨隧道,弯曲膝盖90°收紧贪污。经过反复弯曲和扩展的膝盖20倍左右,开放的插入胫骨固定翼的胫骨隧道向下关节腔,和一个可吸收界面螺钉插入,门户钉插入约5毫米以下的胫骨隧道。其余Eixibon肌腱线程绑定和固定在门户钉修复移植(13- - - - - -15]。

CT扫描和三维重建的影响膝关节在手术后第二天重新检验来确定实际的术中中心点R内部的股骨外侧髁的隧道。直线的距离l从术前中心点我隧道入口的测量(见图2- - - - - -4)。膝盖手术后六个月,前抽屉试验,拉赫曼迹象,轴向移动的测试在门诊检查访问。Lysholm得分和IKDC得分进行了。

4所示。验证的结果和有限元模型的有效性

使用SPSS13.0软件进行统计数据分析。的直线距离l之间的中心点R股骨外侧髁的内部开隧道在实际操作和中央点我内部的隧道在术前位置在每种情况下设置为独立变量。因变量是Lysholm分数区别6个月后手术,手术前1天d,皮尔逊相关分析, 。数据具有统计上的显著差异。然后l被设置为独立变量。IKDC得分之间的差异在手术后6个月,手术前1天D是因变量。皮尔森相关分析的进行 在统计学上意义重大。

术后CT复查的影响方面19符合研究标准的患者。的实际中心点之间的直线距离隧道入口外侧股骨髁和术前隧道入口中心的位置l。Lysholm分数的区别D分析了皮尔森相关的6个月后手术,手术前1天。结果表明,l等于d,用统计学意义显著负相关 。

术后CT复查的影响方面19符合研究标准的患者。线性的实际中心点之间的距离内的隧道外侧股骨髁和术前的中心点的位置内的隧道l。IKDC分数的差异D在手术后6个月和1之间天手术前由皮尔森相关分析。结果表明,l是负相关D,相关性显著 。

越来越多的学者应用膝关节的三维有限元模型来分析膝关节的生物力学特征。然而,膝关节的应力分布的研究主要侧重于ACL和股骨关节,主要关注正常膝关节的应力分析单一或综合载荷下应力分布的分析膝关节ACL的缺陷。很少有报道的影响不同的ACL重建方法移植术后ACL的应力特点和半月板和关节软骨的应力分布。本研究旨在探讨关节退行性变的原因和其他的晚期并发症ACL重建和比较和分析计算机辅助ACL重建。传统ACL重建ACL的变化相比,关节软骨、半月板压力与正常膝关节的生物力学特征结构,提供了线索,揭示了引起的并发症,如关节退行性变的后期ACL重建,并为进一步改善和优化提供线索的ACL重建并提供理论依据。在这项研究中,软件被用来帮助建立健康志愿者的膝关节的三维有限元模型和两种类型的ACL重建。数字模型有一个直观的结构和现实的形状16- - - - - -18]。

作为一种新的研究方法,建立和分析膝关节的三维有限元模型不可避免地缺乏。首先,大量的手工调整工作需要建立有限元模型,在模型中,可能会出现一些错误。其次,模型的有限元分裂的过程也是手动操纵,只是一个近似解和有限元的解决方案。随着有限元方法需要设置材料属性的组件模型的各个部分,国内研究不同结构的材料特性在膝关节仍然相对较少,主要依靠一些国外的研究成果来分析。这项研究没有考虑髌骨的影响,在膝关节股骨股四头肌,和其他结构。在未来,该模型可以进一步提高发展中膝关节生物力学研究理论,使之更适合膝关节生物力学研究。此外,随着材料科学的发展,有限元分析理论和计算机科学,膝关节的三维有限元模型将成为膝关节的生物力学分析的主要方法。

5。结论

摘要提出了一种基于智能医学成像方法有限元算法。CT三维有限元模型被用来预测的固定分前交叉韧带(ACL)股骨隧道。在这项研究中,19个受试者被选中时,8包括11名男性和女性。有7例左膝盖和右膝的12例;所有患者运动损伤。病人膝关节的解剖结构转换为一个三维模型,运用有限元分析软件进行分割。模型的胫骨股骨外侧髁高原和保留。结果表明,Lysholm得分差异(D)在手术后6个月和1天,手术前作为因变量膝关节三维有限元模型的建立的软件。

皮尔森相关分析的进行,不同 在统计学上意义重大。一个智能有限元模型被用来模拟解剖和transtibial的单波段前交叉韧带重建。结果表明,解剖和transtibial前交叉韧带重建没有完全恢复膝关节的生物力学角度。股贪污是插入的位于中心区域的前交叉韧带。前胫骨贪污放置在三个位置:内部韧带,中点,后根据正常胫骨ACL插入外部韧带。结果表明,胫骨贪污位置没有影响前前交叉韧带重建后稳定和旋转稳定。然而,它确实影响移植物的张力和接触应力的内侧和外侧软骨软骨。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。