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【摘要】 通过MSC.MARC建立膝关节的三维有限元模型，为膝关节的创伤、骨折的力学分析及人工关节的开发提供方法学的支持。以螺旋CT得到整个膝关节的CT影像图，扫描层间距为1.0mm。以DICOM文件的数据点信息为数据源，通过相关软件读取DICOM数据文件，获得膝关节的二维CT影像，通过平面图形软件编辑和处理得到膝关节的边界，将边界曲线输入MSC.MARC中建立了膝关节三维有限元模型。通过MSC.MARC建立的三维有限元模型能够真实反应膝关节的解剖结构。
【关键词】 有限元;膝关节;三维重建;DICOM
【Abstract】 Use MSC.MARC software to build a three-dimension finite-element model of knee joint and to provide a method for force-analysis and of fractures and trauma in knee joint.Getting CT image picture of the whole knee joint with spiral CT,it is 1.0 mm to scan one layer of intervals.Use DICOM file as the data source and get two-dimensional CT image of the knee joint through the relevant software.Using figure software edit and get shin bone border of knee joint then export the border curve to MSC.MARC software and set up the three-dimensional model.A three-dimension finite-element model of knee joint，which including meniscus was reconstructed．A three-dimension finite-element model of knee joint was reconstructed，which use MSC.MARC software can reflect the real anatomy of knee joint of tibia vividly．
【Key words】 finite-element; knee-joint; three-dimension reconstruction; DICOM
人膝关节是人体最主要也是最重要的关节之一。由于其在临床医学、康复工程、生物机械工程等领域的重要研究价值和应用前景，长期以来吸引了大量的生物力学研究者投入对其的研究［1～5］。膝关节属于滑车球状关节，由股骨远端、胫骨近端及髌骨后面的关节面构成，是人体最复杂的关节。膝关节上下骨端均为松质骨，周围软组织包容少，在受直接或间接暴力时，极易受到损伤。膝关节负重大，结构复杂且浅，骨杠杆又长，易受损伤，前后或两侧受踢击均可使韧带、肌腱、半月板、膝关节造成裂、伤、脱位，且难治愈［6］。
1 胫骨骨折的诊断与治疗现状［7，8］
根据临床病历显示，在胫骨区域发生病变的患者为数相当多。而现在医院所用检测手段为X线平片、二维CT及三维CT重建图像三种方法。具体形式上各有表现特点：X线平片对膝关节骨折中的单纯型易漏诊；对复杂型骨折，X线平片对移位不明显者亦可有漏诊，而二维CT较易做出此类骨折的诊断，但在辨别骨折的空间移位情况方面与X线平片一样显得较为困难；二维CT对边缘撕脱性骨折脱位易有漏诊。而二维和三维CT检查是在完成了X线检查，主观上有了X线对骨折的诊断后再进一步检查的，因而其漏诊率依然不低。
而基于逆向工程的膝关节三维重建和修复可以为医生提供一种新的辅助治疗方法。它可以形象直观地反映出病人骨折病变的真实情况，使医生在视觉有“接触理解”的真实感，从而可以在手术前根据骨折模型和修复模型提出最有效的手术方案，在较短时间内解除病人的痛苦。
2 本课题的意义
本研究将医学影像、图形处理、逆向工程、原型加工及快速模具与新材料结合开发了一种新的骨科临床诊断方法。采用RP技术制作的右膝关节仿真模型对胫骨外踝骨折的诊断、手术策划和治疗具有较大的积极作用。本项目为昆明市科技局和卫生局联合资助项目（合同编号：昆科计字03S1356），临床医学实践为昆明市中医医院骨科，RP技术由云南省新材料制备与加工重点实验室快速成型技术中心提供。
3 三维重建
3.1 三维重建方法 通过螺旋CT对某男性的膝关节扫描得到该患者的膝关节的DICOM文件，扫描层间距为1.0mm，层数为116层。通过相关软件读取该患者的DICOM文件，得到二维的膝关节CT图像，如图1所示。通过平面图形处理软件可以将股骨头从图1重分离出来而得到膝关节骨头的二维CT图像，如图2所示。
3.2 边界轮廓的提取和三维重建 用平面图形处理软件对胫骨外踝骨头CT图像进行处理可以得到外踝骨头的CT轮廓，如图2所示。对图2运用反色命令即可得到外踝骨头的边界轮廓，如图3所示。将图3转换成三维建模软件可以接受的文件格式，经过曲线输入与编辑、曲面生成和曲面封闭等步骤即可以得到胫骨骨折的三维重建计算机模型，如图4所示。
4 膝关节3D模型的修复
4.1 模型的导入 将前面通过3D软件生成的关节模型3D文件通过MSC.MARC的IMPORT功能导入到MSC.MARC中，进入几何建模模块对模型进行修复。首先用RELAX功能对关节模型进一次网格的松弛，消除大的网格畸变。然后分别用SWEEP和RENUMBER功能去除多余节点和元素并重新编号。运用静态菜单区的PLOT功能中的DRAW功能来验证模型的完整性。在存在尖点及畸变的区域用MESH GENERATION菜单下的功能项来去除并修补尖点及畸变。
4.2 模型的修复 将胫骨骨折处的表面用MESH GENERATION菜单下的MOVE功能项进行移动处理。设置RATATION ANGLE为10度，选定骨折外翻部位进行旋转操作将其闭合。再将缺损处右边完好的上表面用MESH GENERATION菜单下的SYMMETRY功能项将其镜像到左边的上表面，再用MOVE功能项上下移动节点使镜像面与左边的上表面平滑连接。然后运用静态菜单区的PLOT功能中的DRAW功能来验证模型的完整性。发现在旋转、镜像、移动后在关节表面上有元素及节点重叠，此时用MESH GENERATION菜单下的CHECK和SWEEP功能项来去除重叠部位，不能去除的多余的节点和元素用手动去除并修补该面完整，再用SWEEP和RENUMBER功能去除多余节点和元素并重新编号，再用RELAX功能进一次网格的松弛。图5～7是关节在修复前后的对比。图8是完成的膝关节有限元模型，包含24210个节点，17322个单元。
可见，运用MSC.MARC可以完成模型的检验及修复工作，修复后的关节模型表面连续，光洁度好，与原有的关节模型匹配可以用于虚拟仿真工作。
5 结论
（1）以DICOM文件为数据源的三维建模方法可以得到的膝关节骨折的CAD模型。（2）运用MSC.MARC对膝关节骨折模型进行修复可以得到表面连续，光洁度好的完好模型。(本文图片见附页1)
【参考文献】
1 王臻，膝勇，李涤尘，等.基于快速成型的个体化人工半膝关节的研制—计算机辅助设计与制造.中国修复重建外科杂志，2004，18(5)：347-351.
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4 于群，肖学宏.膝关节磁共振成像的理论序列：3DFT-Volume-FFE.现代医用影像学，1998，7(1)：3-6.
5 滕勇，王臻，李迪尘，等.快速成型的个体化人工半膝关节的研制—股骨髁的三维建模.中国修复重建外科杂志，2004，18(4)：257-260.
6 王西十,白瑞蒲.关于人膝关节生物力学模型的研究现状.力学进展,ADVANCES IN MECHANTCS，1999,5(29):244-250.
7 李箭,龚锦源,蒋欣，等.膝关节胫骨骨折的诊治临床分析.四川医学，2002,8(23):788-790.
8 袁元杏,刘康,李青，等.X平片、二维CT及三维CT诊断髋膝关节内骨折.临床骨科杂志，2002,5（2）:111-114.
基金项目：昆明市科技局和卫生局联合资助项目(编号：昆科计字03S1356)
作者单位：1 650093 云南昆明，昆明理工大学 云南省新材料制备与加工重点实验室
2 650011 云南昆明，昆明市中医医院骨科
3 650051 云南昆明，昆明市延安医院放射科
(编辑：宋 冰)