基于RSA的自然和人工膝关节运动测量及实验误差分析

发布时间：2020-04-25 06:25

【摘要】：本文以国家自然科学基金“高屈曲人工膝关节的高屈曲稳定性机制研究(项目编号:31370999)”为支撑,进行基于RSA的运动测量方法的自然人膝关节和人工膝关节在屈曲运动过程中股骨相对胫骨的的运动特征分析。基于RSA的自然和人工膝关节运动分析基本原理:在分析前人应用RSA原理及其方法进行的研究的基础上,进行3d配准理论、实验系统标定理论以及放射透视图像校准理论的分析研究并以此为理论支撑,采用一套以RSA技术为基础的膝关节三维精准运动测量的技术方案:满足在体、无创以及负重的基本要求,结合膝关节三维重建模型、双C型臂拍摄和2d-3d配准原理,进行膝关节胫股骨关节运动测量实验。基于RSA的膝关节运动测量实验:本次实验的测试对象是自然人和膝关节假体置换后志愿者。志愿者进行CT扫描重建膝关节几何模型,在医师指导下完成下蹲、走路以及上楼梯三个动作,并将获取的透视图像进行标定、校准。基于三维膝关节几何模型分别对两台C型臂的二维图像进行配准,获得不同屈曲角度下膝关节股骨胫骨相对位置关系,最后提取膝关节股骨相对于胫骨六个自由度的数据。自然和人工膝关节分别在下蹲、上台阶和走一步路下的运动测量结果分析:根据所获得的数据分析膝关节胫股关节运动。随着膝关节的屈曲增加,自然膝关节股骨向对于胫骨外旋不断加深,在下蹲运动中,膝关节屈曲到95度时,自然膝关节股骨相对于胫骨外旋达到最大为26.5度,此后股骨相对于胫骨外旋角度逐渐减小,在膝关节屈曲过程中伴随着股骨相对于胫骨持续后移最大为19.4mm。通过自然膝关节和人工膝关节数据对比分析可知:人工膝关节与自然膝关节股骨相对于胫骨运动大体趋势一致,但是根据在下蹲过程中屈曲角度都小于100度可得出人工膝关节屈曲受限;人工膝关节较自然膝关节股骨内旋角度更大达到28.9度;人工膝关节股骨相对于胫骨的位移量较自然膝关节总体略大,此外有少数人工膝关节出现股骨前移现象。基于RSA的膝关节运动测量实验误差分析:整个实验过程中可能出现误差的地方有C型臂标定校准、图像校正、膝关节三维几何建模、膝关节局部坐标建立、实验仪器同步以及后期人工配准等人为或非人为误差。本文主要分析两台C型臂的同步误差、坐标系建立误差以及轮廓线误差:C型臂同步误差为1帧;坐标系建立误差平移方向的平均误差为2mm,旋转上的平均误差为4度;股骨轮廓线误差为2.02mm,胫骨轮廓线误差为1.89mm。
【图文】：

示意图,膝关节,人体,相对运动

通过 FEA 和生物力学方法有机的结合，进一步研究和探索人体自节和 TKA 后人工膝关节软组织对膝关节胫股关节屈曲运动特性的影响，并体膝关节解剖学以及临床医学的相关知识，不仅可以治疗和预防人体在运中的膝关节运动损伤，而且还可以探究 TKA 术后并发症的原因及其改善，膝关节假体的设计和优化提供参考，进而不断提高患者的术后活动度和生1.2 膝关节运动学研究现状膝关节主要由胫股骨、髌骨等骨性结构以及周围韧带、关节囊等软组组成[10]。人体膝关节的三维运动特性是由膝关节胫股关节运动特性和膝关关节运动特性共同组成的，它包括沿空间正交坐标系的三个方向的移动和向上的旋转运动。膝关节空间相对运动示意图如图 1-1 所示。

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环境、如何有效的控制膝关节运动过程中的的变化因素是离体研究中的如研究膝关节韧带组织损伤对膝关节运动特征的影响等。在离体研究中许多研究人员也会采用在体研究的相关研究方法，RSA 技术研究尸体膝关节韧带损伤前后胫股关节、髌股关节运动特征的用计算机断层扫描和核磁共振技术重建三维模型，，逆向还原膝关节三[29-30]。采用在体研究方法如三维医学影像配准或者 RSA 等影像技术，进运动特征研究，相对在体研究复杂度提高了而且研究成本也会提高。目多的是膝关节离体研究方法，主要通过搭建尸体实验平台。根据人体解膝关节运动的生物力学相关参数以及有限元的边界条件，对研究人体膝实验装置进行设计，其主要有三个部分组成：运动模拟部分主要控制试尸体膝关节模拟在体运动；载荷部分主要模拟膝关节负重情况；接触测要采集骨骼轨迹及受力情况。离体研究一般采用新鲜尸体标本，保留完关节囊和膝关节肌肉群。在骨骼上植入传感器，通过接触测量系统精准与运动学参数[31]。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R68;TP391.41

【参考文献】