基于半自动分割技术的膝关节有限元建模

阎峰; 张楠; 孟庆华; 鲍春雨; 叶礼新; 喻佳

doi:10.12307/2025.714

摘要：背景:膝关节有限元建模可以深入了解膝关节力学,但其复杂的图像分割工作对于研究人员来说较为困难.随着深度学习技术的发展,深度学习技术已经广泛应用于膝关节有限元建模中. 目的:使用3DSwin UNETR结合统计形状模型半自动分割技术来代替膝关节有限元建模中人工分割的步骤. 方法:基于MR建立手动(人工)膝关节有限元模型和3D Swin UNETR+统计形状模型分割的半自动膝关节有限元模型,对2个模型施加相同的载荷与边界条件,通过计算Dice相似系数、平均距离以及比较2个模型的等效应力峰值、最大主应力和最大剪切应力来进行验证. 结果与结论:①半自动分割模型股骨和胫骨的Dice相似系数均超过98％,平均距离均≤(0.35±0.08)mm;②对手动和半自动有限元模型股骨顶端施加纵向荷载750 N及10Nm内翻力矩,手动有限元模型半月板等效应力峰值、最大主应力、最大剪切应力为14.12,18.54,7.35 MPa;股骨软骨等效应力峰值、最大主应力、最大剪切应力为2.22,2.15,1.18 MPa;胫骨软骨等效应力峰值、最大主应力、最大剪切应力为2.50,1.91,1.41 MPa;半自动有限元模型半月板等效应力峰值、最大主应力、最大剪切应力为14.93,18.53,7.75 MPa;股骨软骨等效应力峰值、最大主应力、最大剪切应力为2.26,2.18,1.20 MPa;胫骨软骨等效应力峰值、最大主应力、最大剪切应力为2.60,1.91,1.46 MPa;手动和半自动有限元模型等效应力峰值、最大主应力和最大剪切应力之间基本一致,差异无显著性意义(P＞0.05);③此次研究所提出的半自动分割技术在创建准确的膝关节有限元模型方面可代替人工分割.