基于静态磁共振图像构建髌股关节准动态三维运动模型及其初步应用

发布时间：2017-10-23 09:12

  本文关键词：基于静态磁共振图像构建髌股关节准动态三维运动模型及其初步应用

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【摘要】：目的既往构建膝关节、髌股关节模型耗时长,操作过程复杂,且大多为静态模型,快速、准确的构建动态髌股关节动态三维模型是对其进行生物力学研究和临床应用的重要保障。本研究拟创建采用多角度静态核磁共振图像构建髌股关节准动态三维运动模型的方法,并初步将此方法应用于髌股关节生物力学研究中,计算屈伸膝过程中髌骨运动轨迹、髌股关节旋转轴。方法选择1名健康成年男性,年龄30岁,体重65kg,身高172cm,对其右膝关节分别在0°、30°、60°、90°、120°五个屈膝角度进行核磁共振扫描,扫描设备为西门子3.0T扫描仪,柔性线圈,扫描序列为二维梯度自旋回波,矢状位扫描,层厚在0.8-1.5mm之间,扫描层数在90-110层之间,并将扫描结果以Dicom格式保存后导入Mimics软件中,利用3Dlivewire功能,手工提取髌骨、股骨轮廓,重建出五个屈膝角度的静态髌股关节三维模型,再将上述五个静态模型导入逆向工程软件Rapid Form中进行同一坐标系的配准,利用三次样条插值算法,将离散静态髌股关节模型配准为动态三维运动模型;据此动态三维模型在三维坐标系中计算出髌骨运动轨迹,在逆向工程软件中根据已知髌骨运动轨迹,计算出髌股关节旋转轴,将计算出的髌骨运动轨迹和旋转轴与既往体内外试验结果相对比,验证该模型的准确性。结果本方法成功构建了髌股关节准动态三维运动模型,该模型包含了从屈膝0°到120°的完整运动过程,利用该模型可以计算出屈伸膝运动过程中的髌骨运动轨迹和髌股关节旋转轴。屈膝过程中,随着屈膝角度的增加,髌骨相对于股骨滑车不断俯屈,同时轻度的外倾和外旋,而髌股关节旋转轴波动在股骨通髁线附近。经验证,通过这一方法计算出的髌骨运动轨迹和旋转轴与既往体内外试验研究结果是相符的。结论基于静态核磁共振图像可以构建髌股关节准动态三维运动模型,并以此模型计算髌骨运动轨迹和髌股关节旋转轴,该构建方法具有模型准确、无辐射、解剖解构全面等特点,利用该模型可以求解髌骨运动轨迹及髌股关节旋转轴,在一定程度上揭示了髌股关节运动规律,为髌股关节生物力学研究提供了准确的模型基础。
【关键词】：生物力学 髌股关节 三维重建 磁共振 运动轨迹 旋转轴
【学位授予单位】：安徽医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R445.2;R684
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 1 前言11-15
• 2 资料与方法15-25
• 2.1 研究对象15
• 2.2 MR扫描及图像提取15-19
• 2.2.1 扫描体位15-16
• 2.2.2 扫描方式16-17
• 2.2.3 图像提取17-19
• 2.3 动态模型的构建与验证19-24
• 2.3.1 髌股关节动态模型的构建19-23
• 2.3.2 髌股关节准动态三维运动模型的验证23-24
• 2.4 髌股关节有限旋转轴的计算24-25
• 2.4.1 髌股关节旋转轴计算的物理原理24
• 2.4.2 髌股关节旋转轴计算的软件原理及实现24-25
• 3 结果25-28
• 3.1 动态三维模型的构建结果25-26
• 3.2 模型准确性的验证结果26-27
• 3.3 髌股关节旋转轴27-28
• 4 讨论28-35
• 4.1 膝关节生物力学研究方法28-29
• 4.2 MRI在髌股关节三维模型构建中的作用29-30
• 4.3 Mimics软件在构建髌股关节三维模型中的作用30-31
• 4.4 逆向工程技术在生物医学工程领域的应用31-32
• 4.5 髌骨运动轨迹的三次样条插值算法32-33
• 4.6 髌骨运动轨迹和髌股关节旋转轴33-35
• 4.7 局限性35
• 5 结论35-36
• 6 参考文献36-40
• 附录40-41
• 致谢41-42
• 综述42-50
• 参考文献47-50
• 附图50-57

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本文编号：1082585