本發(fā)明屬于計算機三維仿真模擬技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于建立完整的人體膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)后幾何解剖仿真模型的方法，具體涉及一種基于點對點配準(zhǔn)技術(shù)虛擬膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)模型構(gòu)建的方法。

背景技術(shù)：

目前已有許多針對膝關(guān)節(jié)單髁置換手術(shù)三維數(shù)字化建模及生物力學(xué)有限元分析的研究，目的是通過三維模型對膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后長期過程中膝關(guān)節(jié)可能發(fā)生的變化進(jìn)行預(yù)測，以在后期手術(shù)過程中優(yōu)化手術(shù)操作及指導(dǎo)患者在術(shù)后進(jìn)行有效地康復(fù)鍛煉和避免損害關(guān)節(jié)及假體的不良生活方式。同時，借助膝關(guān)節(jié)三維模型有限元分析，還彌補了復(fù)雜的體外生物力學(xué)分析及漫長臨床隨訪的不足，使研究者對關(guān)節(jié)置換術(shù)后關(guān)節(jié)變的接觸應(yīng)力變化及運動參數(shù)變化有更直觀的把握。

有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性在于早期建模的精確性，其中很重要一步就在于假體的模擬裝配。以往研究對象是選取正常人膝關(guān)節(jié)進(jìn)行二維影像掃描，將掃描圖像以DICOM格式保存并輸入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics中，之后構(gòu)建出正常人膝關(guān)節(jié)的三維數(shù)字化模型。接下來將Mimics軟件中構(gòu)建好的正常人膝關(guān)節(jié)模型導(dǎo)入計算機輔助工程軟件Hypermesh 中，構(gòu)建手術(shù)操作相關(guān)的重要軸線，按照單髁置換術(shù)手術(shù)原則進(jìn)行模擬截骨，并根據(jù)截骨面大小及膝關(guān)節(jié)相關(guān)軸線選擇適合的假體進(jìn)行模擬裝配。在此之前，需對所有型號假體進(jìn)行三維激光掃描，并使用逆向工程軟件Geomagic逆向構(gòu)建所有型號假體的三維模型。

傳統(tǒng)方法存在以下劣勢：（1）研究、隨訪的重點就是要將患者自身組織的退變、增生、缺損及實際手術(shù)過程中截骨不佳、假體位置不恰當(dāng)?shù)葐栴}考慮進(jìn)去，加以分析，而選擇正常人下肢進(jìn)行模擬手術(shù)操作，無法真實還原真實的情況，難以做到個體化研究，實驗缺乏針對性；（2）研究過程涉及模擬三維建模、模擬截骨及假體安裝，難度大，多數(shù)情況下并非醫(yī)生完成，而是工程人員憑借自身經(jīng)驗完成，因此在模擬手術(shù)操作及假體安裝過程中可能與實際情況出現(xiàn)偏差，截骨不準(zhǔn)確及假體安裝位置不良，將嚴(yán)重影響后期有限元分析結(jié)果；（3）因為事先不知道截骨操作后截骨面大小，無法提前判斷選取假體型號，故需對所有假體進(jìn)行掃描及逆向重建，消耗大量時間、精力、工程量；（4）模擬操作設(shè)計工程軟件較多，無疑增加成本及時間的消耗。因此如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足是目前計算機三維仿真模擬技術(shù)領(lǐng)域亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，為了克服一貫選取正常人下肢模擬截骨、安裝假體來模擬膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后下肢生物力學(xué)分析，回避病例本身特點、操作難度大等弊端，提供一種基于點對點配準(zhǔn)技術(shù)虛擬膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)模型構(gòu)建的方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于點對點配準(zhǔn)技術(shù)虛擬膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)模型構(gòu)建的方法，包括如下步驟：

步驟（1），UKA術(shù)后CT掃描：

采用SIEMENS 128排雙源螺旋CT掃描下肢；

掃描體位：膝關(guān)節(jié)自然伸直并外旋10°～15°角度固定；

掃描范圍：上方至中骨盆平面，下方完全包含足部；

步驟（2），UKA術(shù)前MRI掃描：

采用GE 1.5T超導(dǎo)型磁共振機掃描雙膝，磁共振機以頭線圈作為接收線圈；

掃描體位：膝關(guān)節(jié)自然伸直并外旋10°～15°度角固定；

掃描范圍：以膝關(guān)節(jié)間隙為中心，向上下各掃描10cm；

步驟（3），數(shù)據(jù)保存：

將步驟（1）和步驟（2）掃描所得數(shù)據(jù)在工作站上以DICOM 3.0格式存儲并刻錄到CD-ROM上；

步驟（4），CT二維圖像的導(dǎo)入及三維模型重建：

在計算機工作站上，將步驟（1）得到的CT二維掃描圖像以DICOM格式導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 17.0中，在軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊中定義前、后、上、下、左、右六個方向，然后使用Thresholding功能設(shè)定骨性結(jié)構(gòu)灰度范圍，使得創(chuàng)建的顏色可完全覆蓋所有層面的骨性結(jié)構(gòu)，接著分隔初始全骨性結(jié)構(gòu)mask，使用Regional growing功能依次將股骨、脛骨、腓骨、髕骨結(jié)構(gòu)提取并按不同顏色劃分開，同時用edit mask功能進(jìn)行手動去除粘連部分并修補模型上的空洞，劃分完畢后，選擇Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”計算方法，運行后重建出UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化模型；

步驟（5），MRI二維圖像的導(dǎo)入及三維模型重建：

在計算機工作站上，將步驟（2）得到的MRI二維圖像以DICOM格式導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 17.0中，在軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊中定義前、后、上、下、左、右六個方向，然后使用Thresholding功能設(shè)定軟組織結(jié)構(gòu)灰度范圍，使得創(chuàng)建的顏色可完全覆蓋所有層面的軟組織結(jié)構(gòu)，接著分隔初始全軟組織結(jié)構(gòu)mask，使用Regional growing功能依次將外側(cè)半月板、股四頭肌肌腱、髕腱、內(nèi)外側(cè)副韌帶及前后交叉韌帶提取并按不同顏色劃分開，同時用edit mask功能進(jìn)行手動去除噪聲及分割邊緣的毛刺并修補模型上的空洞，劃分完畢后，選擇Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”計算方法，運行后重建出UKA術(shù)前膝關(guān)節(jié)軟組織結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字化模型；

步驟（6），膝關(guān)節(jié)模型配準(zhǔn)與修飾：

將步驟（4）基于CT掃描圖像數(shù)據(jù)得到的膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化模型和步驟（5）基于MRI掃描圖像數(shù)據(jù)得到的膝關(guān)節(jié)軟組織結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化模型通過Mimics軟件中的移動、旋轉(zhuǎn)的功能按照膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，最終得到同一個人包含骨性結(jié)構(gòu)及軟組織結(jié)構(gòu)的完整膝關(guān)節(jié)三維模型；

步驟（7），假體三維模型的構(gòu)建：

選擇被掃描對象的UKA術(shù)中所有使用的相應(yīng)型號假體模型，使用三維激光掃描儀對其進(jìn)行高速激光掃描和測量，獲取假體表面完整、連續(xù)的全景點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，接著使用逆向工程軟件Geomagic Studio對掃描得到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，得到所有使用的假體三維模型；

所述的后處理包括去噪、多邊形修補、光順處理、提取輪廓曲線和擬合曲面；

所有使用的假體模型包括脛骨假體、聚乙烯襯墊和股骨假體，即三者構(gòu)成單髁假體；

步驟（8），UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)模擬假體裝配：

在步驟（6）中構(gòu)建好的完整膝關(guān)節(jié)三維模型，在Mimics軟件界面中選擇STLs中Load STL功能導(dǎo)入逆向重建好的所有使用的假體三維模型，通過移動、旋轉(zhuǎn)操作將假體三維模型進(jìn)行調(diào)整和組合；選擇Registration中的Point Registration功能，通過將假體三維模型與完整膝關(guān)節(jié)三維模型上的對應(yīng)解剖點進(jìn)行點對點配準(zhǔn)操作，使假體三維模型裝配到膝關(guān)節(jié)模型上，得到裝配有假體的膝關(guān)節(jié)三維模型；

步驟（9），優(yōu)化模型：

將步驟（8）得到的裝配有假體的膝關(guān)節(jié)三維模型導(dǎo)入Geomagic Studio 逆向工程軟件中，進(jìn)行修補與優(yōu)化處理；

首先對在CT、MRI掃描獲取二維影像數(shù)據(jù)過程中因被掃描對象移動以及在Mimics軟件界面里手動劃分膝關(guān)節(jié)各個組織過程中因手動劃分不完全而得到的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理；基于曲率連續(xù)性的原則填充模型表面空洞，去除模型表面的壓痕；依據(jù)模型表面曲率變化，對曲率變化明顯且影響模型輪廓的部分，依據(jù)曲率變化明顯且影響模型輪廓的部分的中心線提取該部分的輪廓曲線，之后對該部分的輪廓曲線進(jìn)行編輯，得到平順的曲線；

接下來在模型表面構(gòu)建大小均勻的四邊形柵格網(wǎng)，調(diào)節(jié)NURBS曲面精細(xì)度并擬合成NURBS曲面，得到優(yōu)化UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維模型；

步驟（10），網(wǎng)格劃分：

在Abaqus軟件中，對步驟（9）得到的優(yōu)化UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維模型采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

步驟（11），定義各部分材料屬性：

將膝關(guān)節(jié)模型內(nèi)所有材料假設(shè)為各向同性、均勻連續(xù)的線彈性材料，并在Abaqus 6.10軟件中對經(jīng)步驟（10）網(wǎng)格劃分后的優(yōu)化UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維模型賦予對應(yīng)的材料屬性及泊松比，材料屬性及泊松比如表1；

表1

步驟（12），施加載荷與邊界條件：

將股四頭肌肌力簡化為400N，平行于股骨干，方向指向股四頭肌起點；同時沿膝關(guān)節(jié)力線施加300N力，以模擬身體重量；設(shè)定脛骨不動，股骨在施加力的作用下相對于脛骨發(fā)生屈曲、伸直、內(nèi)收、外展、內(nèi)旋及外旋六個自由度的運動；針對膝關(guān)節(jié)三維模型中的骨性組織、軟組織及假體部件，定義了股骨假體與股骨、股骨假體與聚乙烯襯墊、聚乙烯襯墊與脛骨假體、脛骨假體與脛骨、髕腱與脛骨、髕腱與髕骨、股四頭肌腱與股骨、股四頭肌腱與髕骨、內(nèi)側(cè)副韌帶與股骨、內(nèi)側(cè)副韌帶與脛骨、外側(cè)副韌帶與股骨、外側(cè)副韌帶與脛骨、前交叉韌帶與股骨、前交叉韌帶與脛骨、后交叉韌帶與股骨、后交叉韌帶與脛骨、外側(cè)半月板與股骨、外側(cè)半月板與脛骨界面；其中各條韌帶兩端與骨組織接觸區(qū)域定義為剛性固定，與骨組織相連；股骨假體、脛骨假體與截骨面間設(shè)定為捆綁約束，假體接觸面間設(shè)置為摩擦，摩擦系數(shù)為0.04；

步驟（13），模型驗證：

通過對賦予材料屬性的優(yōu)化UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維模型施加載荷，模擬膝關(guān)節(jié)動態(tài)屈曲0-120°，提取的是膝關(guān)節(jié)在分別屈曲0°、30°、60°、90°、120°五個位置下股骨相對于脛骨發(fā)生外旋、外展及內(nèi)收的角度數(shù)據(jù)，與現(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果一致，證明建模成功。

本發(fā)明最終完整的模型是指施加了材料屬性、邊界條件及載荷后的膝關(guān)節(jié)模型，此模型可直接用于膝關(guān)節(jié)動態(tài)分析。

作為比較的現(xiàn)有文獻(xiàn)為：Hanson GR, Moynihan AL, Suggs JF, Kwon YM, Johnson T, Li G.Kinematics of midial unicondylar knee arthroplasty：an in vivo investigation.J Knee Surg,2009,22(3):237-242.

進(jìn)一步，優(yōu)選的是步驟（1）所述的CT圖像采集掃描參數(shù)設(shè)定為：雙源CT的管電壓120kV和70kV，管電流100mA和60mA，層厚0.6mm，層間隔0.6mm，螺距0.5。

進(jìn)一步，優(yōu)選的是步驟（2）所述的MRI圖像采集掃描參數(shù)設(shè)定為：矢狀位3D質(zhì)子密度加權(quán)成像序列，TR 11000ms，TE 25ms；層厚1.0 mm；層間距0.2mm；回波鏈 14；激勵2次；矩陣192/320；FOV 18。

進(jìn)一步，優(yōu)選的是步驟（8）將假體三維模型與相應(yīng)UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)模型上的對應(yīng)解剖點進(jìn)行點對點配準(zhǔn)操作時，是依次將股骨假體三維模型、聚乙烯襯墊三維模型、脛骨假體三維模型與完整膝關(guān)節(jié)三維模型上的對應(yīng)解剖點進(jìn)行點對點配準(zhǔn)操作。

本發(fā)明所討論的點對點配準(zhǔn)配方法則是基于病案本身進(jìn)行研究，盡可能真實還原手術(shù)效果，探索手術(shù)對研究對象膝關(guān)節(jié)帶來的一系列力學(xué)及運動學(xué)參數(shù)。為失敗病例研究、優(yōu)化手術(shù)操作、指導(dǎo)患者術(shù)后有效康復(fù)鍛煉及如何避免不良生活姿勢提供有力的證據(jù)。本方法屬于圖像配準(zhǔn)技術(shù)，它是將來自不同傳感器的兩幅或多幅影像，在同一目標(biāo)區(qū)域中，構(gòu)建空間位置上的對準(zhǔn)、融合，最終利用各個圖像的優(yōu)勢，充分體現(xiàn)在同一個畫面中。與圖像配準(zhǔn)技術(shù)在影像學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用相比，該技術(shù)在計算機模擬膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中的應(yīng)用比較罕見，本發(fā)明將使用該技術(shù)進(jìn)行單髁置換模擬手術(shù)操作。

本發(fā)明術(shù)前對其患膝行MRI掃描，術(shù)后對患側(cè)下肢行CT掃描。兩次掃描結(jié)果皆以DICOM格式保存；使用Mimics17.0醫(yī)學(xué)圖像處理軟件基于CT及MRI掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建該名患者患膝的三維數(shù)字化模型；在Mimics17.0軟件中同一界面下使用Move、Rotation操作基于解剖位置將CT構(gòu)建的髕骨、股骨、脛骨、腓骨和MRI掃描并構(gòu)建的的內(nèi)外側(cè)副韌帶、前后交叉韌帶、外側(cè)半月板、股四頭肌肌腱及髕腱進(jìn)行配準(zhǔn)，得到完整的既包含骨性結(jié)構(gòu)又包含主要軟組織結(jié)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)三維模型。記錄該名患者術(shù)中所使用的假體型號，將假體進(jìn)行三維激光掃描，得到假體點云數(shù)據(jù)，基于點云數(shù)據(jù)逆向重建出假體三維模型；將假體模型以STL格式導(dǎo)入重建好的膝關(guān)節(jié)三維模型界面，基于點對點配準(zhǔn)方法，即可將假體較為精確地裝配到膝關(guān)節(jié)相應(yīng)位置。之后通過Geomagic Studio逆向工程軟件將膝關(guān)節(jié)三維模型精細(xì)化處理，為后期有限元分析計算的準(zhǔn)確性提供良好的模型基礎(chǔ)；隨后將模型導(dǎo)入Abaqus軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，目的在于將復(fù)雜的模型細(xì)分為有限數(shù)量的單元格，使得求解過程大大簡化；在此基礎(chǔ)上，對膝關(guān)節(jié)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料屬性定義、邊界條件施加及載荷的施加，最終使膝關(guān)節(jié)動態(tài)屈曲0-120°，實時提取其屈曲過程中股骨相對脛骨的運動模式，并與既往文獻(xiàn)進(jìn)行比對，驗證模型有效性。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為：

1.基于病例進(jìn)行影像學(xué)掃描，試驗結(jié)果具有針對性，且構(gòu)建得到的模型更接近真實情況，尤其可應(yīng)對失敗病例或成功病例進(jìn)行研究；

2.操作過程簡單，無需手動模擬截骨操作，基本可由醫(yī)生獨立完成，避免了非從醫(yī)人員由于對醫(yī)學(xué)專業(yè)領(lǐng)域不熟悉而導(dǎo)致的試驗結(jié)果的較大偏差；

3.涉及軟件較少，僅需要醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics對膝關(guān)節(jié)進(jìn)行初始構(gòu)建，使用逆向工程軟件Geomagic Studio對構(gòu)建好的模型進(jìn)行優(yōu)化，最終使用Mimics軟件進(jìn)行配準(zhǔn)操作即可完成模型構(gòu)建；

4.假體到膝關(guān)節(jié)上的裝配不再依賴于非從醫(yī)人員的簡單經(jīng)驗，而是借助骨科醫(yī)生對解剖的豐富經(jīng)驗進(jìn)行點對點配準(zhǔn)操作；

5.無需在試驗前對所有型號的假體掃描，再根據(jù)截骨效果進(jìn)行裝配，而是根據(jù)實際手術(shù)中使用的型號進(jìn)行對應(yīng)假體掃描，減少了試驗時間與成本。

6、本發(fā)明方法與以往試驗相比較：以往試驗步驟相對繁瑣及復(fù)雜，即選擇正常人進(jìn)行CT及MRI掃描，消耗大量醫(yī)療資源，且增加正常人身體輻射及因此患病幾率，而本試驗選擇UKA患者進(jìn)行掃描，不耗費額外醫(yī)療成本；以往試驗需對所有型號假體進(jìn)行三維激光掃描并構(gòu)建假體模型，再根據(jù)計算機模擬截骨結(jié)果進(jìn)行假體放置，而本試驗僅需根據(jù)實際手術(shù)中所使用的相應(yīng)型號假體掃描，大大節(jié)省時間及成本；以往試驗需對正常膝關(guān)節(jié)模型進(jìn)行仿真模擬手術(shù)，一方面由非醫(yī)學(xué)專業(yè)人員完成，操作與實際手術(shù)可能有較大出入，另一方面仿真模擬手術(shù)技術(shù)難度較大，不同人員操作可較大影響試驗結(jié)果，而本試驗無需人工模擬手術(shù)，僅針對UKA術(shù)后患者膝關(guān)節(jié)模型進(jìn)行簡單的相應(yīng)型號假體裝配，大大節(jié)省操作時間及成本。

附圖說明

圖1是膝關(guān)節(jié)CT掃描二維圖像；其中，a為矢狀位，b為冠狀位，c為軸位；

圖2是膝關(guān)節(jié)MRI掃描二維圖像；其中，a為矢狀位；b為冠狀位；c為軸位；

圖3是UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)CT掃描圖像導(dǎo)入Mimicsl7.0軟件中的示意圖；其中，a為下肢冠狀位；b為矢狀位；c為橫斷位；d為三維圖像；

圖4是UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化模型；其中，a為正面觀，b為側(cè)面觀；

圖5是UKA術(shù)前MRI掃描圖像導(dǎo)入Mimicsl7.0軟件中的示意圖；其中，a為膝關(guān)節(jié)冠狀位；b為矢狀位；c為橫斷位；d為三維圖像；

圖6是膝關(guān)節(jié)軟組織結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字化模型；其中，a為內(nèi)側(cè)副韌帶；b為外側(cè)副韌帶；c為前交叉韌帶；d為后交叉韌帶；e為外側(cè)半月板；

圖7是U完整膝關(guān)節(jié)三維模型；其中，a為正面觀，b為側(cè)面觀；

圖8是所有使用的相應(yīng)型號假體模型三維激光掃描的實體圖；

圖9是通過Geomagic Studio 12軟件逆向重建并優(yōu)化單髁假體三維模型；其中，a為正面觀，b為側(cè)面觀，c為后面觀；

圖10是將重建好的所有使用的假體三維模型導(dǎo)入Mimics17.0軟件中的示意圖；其中，1、聚乙烯襯墊；2、股骨假體；3、脛骨假體；

圖11是將所有使用的假體三維模型調(diào)整、組合好后的示意圖；其中，a為正面觀，b為側(cè)面觀，c為后面觀；

圖12是在Mimics軟件中進(jìn)行點對點配準(zhǔn)操作；其中，a為選擇Point Registration功能模塊，b為選擇對應(yīng)點進(jìn)行配準(zhǔn)正面觀，c為選擇對應(yīng)點進(jìn)行配準(zhǔn)后面觀，d為配準(zhǔn)后的UKA術(shù)后模型正面觀，e為配準(zhǔn)后的UKA術(shù)后模型后面觀；

圖13是通過Geomagic Studio12軟件優(yōu)化膝關(guān)節(jié)模型圖；a為導(dǎo)入粗糙、存在孔洞的模型，b為去噪，c為提取輪廓曲線，d為構(gòu)造柵格，e為曲面擬合，f為優(yōu)化后的UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)模型；

圖14是網(wǎng)格劃分后的優(yōu)化UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維模型；

圖15是UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)不同屈曲角度下的三維有限元模型；其中，a為0°， b為30°，c為60°，d為90°，e為120°；

圖16是UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維動態(tài)有限元模型不同屈膝角度時股骨相對脛骨的運動線狀示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)視為限定本發(fā)明的范圍。實施例中未注明具體技術(shù)或條件者，按照本領(lǐng)域內(nèi)的文獻(xiàn)所描述的技術(shù)或條件或者按照產(chǎn)品說明書進(jìn)行。所用材料或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

我們選取1名膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室骨性關(guān)節(jié)炎施行單髁置換術(shù)的患者，基于患者本身膝關(guān)節(jié)進(jìn)行三維模型構(gòu)建，具體操作方法方法如下：

步驟（1），UKA術(shù)后CT掃描：

采用SIEMENS 128排雙源螺旋CT掃描下肢；

掃描體位：膝關(guān)節(jié)自然伸直并外旋10°～15°角度固定；

掃描范圍：上方至中骨盆平面，下方完全包含足部；

CT圖像采集掃描參數(shù)設(shè)定為：雙源CT的管電壓120kV和70kV，管電流100mA和60mA，層厚0.6mm，層間隔0.6mm，螺距0.5。

步驟（2），UKA術(shù)前MRI掃描：

采用GE 1.5T超導(dǎo)型磁共振機掃描雙膝，磁共振機以頭線圈作為接收線圈；

掃描體位：膝關(guān)節(jié)自然伸直并外旋10°～15°度角固定；

掃描范圍：以膝關(guān)節(jié)間隙為中心，向上下各掃描10cm；

MRI圖像采集掃描參數(shù)設(shè)定為：矢狀位3D質(zhì)子密度加權(quán)成像序列，TR 11000ms，TE 25ms；層厚1.0 mm；層間距0.2mm；回波鏈 14；激勵2次；矩陣192/320；FOV 18。

步驟（3），數(shù)據(jù)保存：

將步驟（1）和步驟（2）掃描所得數(shù)據(jù)在工作站上以DICOM 3.0（Digital Imaging and Communication in Medicine）格式存儲并刻錄到CD-ROM上，如圖1和圖2所示；

步驟（4），CT二維圖像的導(dǎo)入及三維模型重建：

在計算機工作站上，將步驟（1）得到的CT二維掃描圖像以DICOM格式導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 17.0中，在軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊中定義前、后、上、下、左、右六個方向，可以顯示出冠狀位、矢狀位及軸位的二維圖像，如圖3。然后使用Thresholding功能設(shè)定骨性結(jié)構(gòu)灰度范圍，使得創(chuàng)建的顏色可完全覆蓋所有層面的骨性結(jié)構(gòu)，接著分隔初始全骨性結(jié)構(gòu)mask，使用Regional growing功能依次將股骨、脛骨、腓骨、髕骨結(jié)構(gòu)提取并按不同顏色劃分開，同時用edit mask功能進(jìn)行手動去除粘連部分并修補模型上的空洞，劃分完畢后，選擇Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”計算方法，運行后重建出UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化模型，如圖4；

步驟（5），MRI二維圖像的導(dǎo)入及三維模型重建：

在計算機工作站上，將步驟（2）得到的MRI二維圖像以DICOM格式導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 17.0中，如圖5，在軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊中定義前、后、上、下、左、右六個方向，然后使用Thresholding功能設(shè)定軟組織結(jié)構(gòu)灰度范圍，使得創(chuàng)建的顏色可完全覆蓋所有層面的軟組織結(jié)構(gòu)，接著分隔初始全軟組織結(jié)構(gòu)mask，使用Regional growing功能依次將外側(cè)半月板、股四頭肌肌腱、髕腱、內(nèi)外側(cè)副韌帶及前后交叉韌帶提取并按不同顏色劃分開，同時用edit mask功能進(jìn)行手動去除噪聲及分割邊緣的毛刺并修補模型上的空洞，劃分完畢后，選擇Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”計算方法，運行后重建出UKA術(shù)前膝關(guān)節(jié)軟組織結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字化模型，如圖6；

步驟（6），膝關(guān)節(jié)模型配準(zhǔn)與修飾：

將步驟（4）基于CT掃描圖像數(shù)據(jù)得到的膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化模型和步驟（5）基于MRI掃描圖像數(shù)據(jù)得到的膝關(guān)節(jié)軟組織結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化模型通過Mimics軟件中的移動、旋轉(zhuǎn)的功能按照膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，最終得到同一個人包含骨性結(jié)構(gòu)及軟組織結(jié)構(gòu)的完整膝關(guān)節(jié)三維模型，如圖7；

步驟（7），假體三維模型的構(gòu)建：

選擇被掃描對象的UKA術(shù)中所有使用的相應(yīng)型號假體模型（小號股骨假體，小號4mm聚乙烯襯墊，脛骨假體“左AA”型號），使用三維激光掃描儀（3DSS STDLED III型激光掃描儀，上海數(shù)造機電科技有限公司）對其進(jìn)行高速激光掃描和測量，如圖8，獲取假體表面完整、連續(xù)的全景點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，接著使用逆向工程軟件Geomagic Studio對掃描得到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，得到所有使用的假體三維模型，如圖9；

所述的后處理包括去噪、多邊形修補、光順處理、提取輪廓曲線和擬合曲面；

所有使用的假體模型包括脛骨假體、聚乙烯襯墊和股骨假體；

步驟（8），UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)模擬假體裝配：

在步驟（6）中構(gòu)建好的完整膝關(guān)節(jié)三維模型，在Mimics軟件界面中選擇STLs中Load STL功能導(dǎo)入逆向重建好的所有使用的假體三維模型，即重建好的股骨假體三維模型、聚乙烯襯墊三維模型及脛骨假體三維模型，如圖10，通過移動、旋轉(zhuǎn)操作將假體三維模型進(jìn)行調(diào)整和組合，如圖11；選擇Registration中的Point Registration功能，通過將假體三維模型與完整膝關(guān)節(jié)三維模型上的對應(yīng)解剖點進(jìn)行點對點配準(zhǔn)操作，使假體三維模型裝配到膝關(guān)節(jié)模型上，得到裝配有假體的膝關(guān)節(jié)三維模型，如圖12；

將假體三維模型與相應(yīng)UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)模型上的對應(yīng)解剖點進(jìn)行點對點配準(zhǔn)操作時，是依次將股骨假體三維模型、聚乙烯襯墊三維模型、脛骨假體三維模型與完整膝關(guān)節(jié)三維模型上的對應(yīng)解剖點進(jìn)行點對點配準(zhǔn)操作；

步驟（9），優(yōu)化模型：

將步驟（8）得到的裝配有假體的膝關(guān)節(jié)三維模型導(dǎo)入Geomagic Studio 逆向工程軟件中，進(jìn)行修補與優(yōu)化處理；

首先對在CT、MRI掃描獲取二維影像數(shù)據(jù)過程中因被掃描對象移動以及在Mimics軟件界面里手動劃分膝關(guān)節(jié)各個組織過程中因手動劃分不完全而得到的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理；基于曲率連續(xù)性的原則填充模型表面空洞，去除模型表面的壓痕；依據(jù)模型表面曲率變化，對曲率變化明顯且影響模型輪廓的部分，依據(jù)曲率變化明顯且影響模型輪廓的部分的中心線提取該部分的輪廓曲線，之后對該部分的輪廓曲線進(jìn)行編輯，得到平順的曲線；

接下來在模型表面構(gòu)建大小均勻的四邊形柵格網(wǎng)，調(diào)節(jié)NURBS曲面精細(xì)度，通過在曲面頂點與頂點之間自動嵌入新的頂點，使得膝關(guān)節(jié)模型的曲面被分得非常細(xì)膩，視覺效果更加平滑致密，最終擬合成NURBS曲面，即使組成膝關(guān)節(jié)模型的所有離散數(shù)據(jù)都滿足一個共同的函數(shù)解析式，通過求取函數(shù)解析式的方法完成離散曲面的封閉，得到優(yōu)化UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維模型，如圖13；

步驟（10），網(wǎng)格劃分：

在Abaqus軟件中，對步驟（9）得到的優(yōu)化UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維模型采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分；網(wǎng)格劃分為有限元分析后期數(shù)值模擬分析中極其重要的一步。網(wǎng)格數(shù)量將直接影響計算的精度及計算規(guī)模。一般而言，網(wǎng)格數(shù)量越多，計算精度將增加，但同時可能增加計算規(guī)模，消耗過多成本，因此在確定網(wǎng)格數(shù)時應(yīng)充分權(quán)衡計算精度與規(guī)模之間的關(guān)系，力求在最小的消耗下得到較高精度的計算。

本實施例UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)單元數(shù)量130416，節(jié)點數(shù)193787，如圖14，網(wǎng)格劃分得到單元數(shù)及節(jié)點數(shù)說明模型收斂，即前面模型構(gòu)建無誤。

步驟（11），定義各部分材料屬性：

將膝關(guān)節(jié)模型內(nèi)所有材料假設(shè)為各向同性、均勻連續(xù)的線彈性材料，并在Abaqus 6.10軟件中對經(jīng)步驟（10）網(wǎng)格劃分后的優(yōu)化UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維模型賦予對應(yīng)的材料屬性及泊松比，材料屬性及泊松比如表1；

表1

步驟（12），施加載荷與邊界條件：

將股四頭肌肌力簡化為400N，平行于股骨干，方向指向股四頭肌起點；同時沿膝關(guān)節(jié)力線施加300N力，以模擬身體重量；設(shè)定脛骨不動，股骨在施加力的作用下相對于脛骨發(fā)生屈曲、伸直、內(nèi)收、外展、內(nèi)旋及外旋六個自由度的運動；針對膝關(guān)節(jié)三維模型中的骨性組織、軟組織及假體部件，定義了股骨假體與股骨、股骨假體與聚乙烯襯墊、聚乙烯襯墊與脛骨假體、脛骨假體與脛骨、髕腱與脛骨、髕腱與髕骨、股四頭肌腱與股骨、股四頭肌腱與髕骨、內(nèi)側(cè)副韌帶與股骨、內(nèi)側(cè)副韌帶與脛骨、外側(cè)副韌帶與股骨、外側(cè)副韌帶與脛骨、前交叉韌帶與股骨、前交叉韌帶與脛骨、后交叉韌帶與股骨、后交叉韌帶與脛骨、外側(cè)半月板與股骨、外側(cè)半月板與脛骨界面；其中各條韌帶兩端與骨組織接觸區(qū)域定義為剛性固定，與骨組織相連；股骨假體、脛骨假體與截骨面間設(shè)定為捆綁約束，假體接觸面間設(shè)置為摩擦，摩擦系數(shù)為0.04；

步驟（13），模型驗證：

通過對賦予材料屬性的優(yōu)化UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)三維模型施加載荷，模擬膝關(guān)節(jié)動態(tài)屈曲0-120°，提取的是膝關(guān)節(jié)在分別屈曲0°、30°、60°、90°、120°五個位置下股骨相對于脛骨發(fā)生外旋、外展及內(nèi)收的角度數(shù)據(jù)，如圖15和圖16，與現(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果一致，證明建模成功。

本研究建立了UKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)由130416個單元數(shù)及193787個節(jié)點數(shù)組成的三維有限元模型，與實體標(biāo)本相比，外形高度逼真，可較真實代表原物。

膝關(guān)節(jié)屈曲0-120°時，股骨相對于脛骨發(fā)生外旋，屈曲80°前外旋趨勢增加，超過80°后，逐漸減小，屈曲80°時達(dá)最大外旋角度，約15°；屈曲0-75°時，股骨相對于脛骨外展，屈曲30°時達(dá)最大外展角度，約3°；屈曲超過75°后，股骨開始內(nèi)收，于屈曲120°時達(dá)最大內(nèi)收角度，約2.5°。與文獻(xiàn)進(jìn)行比較，試驗結(jié)果與以往研究結(jié)果一致，證明模型有效。

作為比較的現(xiàn)有文獻(xiàn)為：Hanson GR, Moynihan AL, Suggs JF, Kwon YM, Johnson T, Li G.Kinematics of midial unicondylar knee arthroplasty：an in vivo investigation.J Knee Surg,2009,22(3):237-242.

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。