王玉嬌，錢(qián)秋紅，孟振華，李孝林 (長(zhǎng)江大學(xué)醫(yī)學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

鎖骨的數(shù)字可視化模型研究

王玉嬌，錢(qián)秋紅，孟振華，李孝林 (長(zhǎng)江大學(xué)醫(yī)學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

目的：研究鎖骨數(shù)字可視化模型建立方法，為鎖骨的數(shù)字化研究提供模型。方法：正常成人志愿者1名，對(duì)其鎖骨進(jìn)行層厚0.625mm，間距為0的CT連續(xù)掃描，所得圖片以Dicom格式刻盤(pán)保存，導(dǎo)入Mimics軟件建立三維數(shù)字幾何模型，并進(jìn)行相關(guān)解剖學(xué)測(cè)量研究，將幾何模型導(dǎo)入ANSYS軟件建立有限元模型并進(jìn)行生物力學(xué)研究。結(jié)果：重建的鎖骨三維幾何模型和有限元模型外形逼真、生物力學(xué)響應(yīng)真實(shí)，可進(jìn)行解剖學(xué)測(cè)量和生物力學(xué)研究。結(jié)論：本研究所建立的鎖骨數(shù)字化模型可被用于鎖骨的數(shù)字化研究。

鎖骨；三維重建；模型；解剖學(xué)

鎖骨連接肩胛帶和軀干，有穩(wěn)定上肢帶的作用，其外形呈“S”型，極不規(guī)則，缺乏固有的髓腔，周?chē)狈浗M織的保護(hù)。正是因?yàn)槠浣馄式Y(jié)構(gòu)的特殊性，臨床上鎖骨骨折發(fā)病率較高[1]，而且其治療失敗率也較高[2]。鎖骨還可以作為供骨用于臨近骨組織的缺損以及感染的治療[3]。以往對(duì)鎖骨的研究多借助尸體標(biāo)本，在數(shù)字醫(yī)學(xué)不斷發(fā)展的今天，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)研究骨骼、人體越來(lái)越顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，本研究在以往研究的基礎(chǔ)上重建了鎖骨的幾何數(shù)字模型和有限元模型，并進(jìn)行了有關(guān)數(shù)字解剖、生物力學(xué)的初步研究，探討鎖骨的數(shù)字研究方法。

1 資料與方法

1.1原始資料采集

男性健康志愿者1名(25歲，身高177cm，體質(zhì)量70kg)，簽訂知情同意書(shū)后行X線檢查排除骨骼異常情況，用Philips64螺旋CT對(duì)左側(cè)鎖骨沿橫斷面連續(xù)掃描。掃描條件：選擇骨組織窗，電壓120kV，像素0.43mm，層厚0.625mm，共228層。掃描數(shù)據(jù)以Dicom3.0標(biāo)準(zhǔn)直接存入光盤(pán)備用。

1.2建模環(huán)境

電腦配置:AMDAthlon64 3200+中央處理器、2G內(nèi)存、19寸液晶顯示器、64M顯存、ATI 8550顯卡、Windows XP/Professional操作系統(tǒng)；軟件:醫(yī)學(xué)3D圖像生成及編輯處理軟件Mimics 10.01、大型有限元分析軟件Ansys10.0。

1.3幾何數(shù)字模型的建立

以Mimics軟件讀入Dicom格式的CT原始圖像，經(jīng)圖像定位、組織圖片、內(nèi)插值處理，界定骨組織閾值在226～1476HounsField單位，軟件自動(dòng)形成各層面骨組織表面輪廓線，行圖像邊緣分割出鎖骨，圖像經(jīng)編輯、補(bǔ)洞處理，去除無(wú)關(guān)邊緣雜點(diǎn)和冗余數(shù)據(jù)，經(jīng)區(qū)域增長(zhǎng)，選擇Custon 3D計(jì)算方式計(jì)算建立鎖骨幾何模型。

1.4有限元模型的建立

將生成的鎖骨幾何模型在Mimics內(nèi)進(jìn)行面網(wǎng)格的精度精減，重新計(jì)算3D后減少網(wǎng)格三角形數(shù)量，將精減后面網(wǎng)格定義為后綴名.lis的ANSYS文件。Ansys10.0讀入鎖骨三維面網(wǎng)格模型，首先生成大體，添加單元，定義單元大小后自動(dòng)劃分單元，利用Mimics軟件中FEA模塊的material功能根據(jù)骨骼結(jié)構(gòu)的CT值應(yīng)用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式自動(dòng)分級(jí)賦值，其材質(zhì)被定義為10級(jí)。將賦值后的模型讀入到Ansys10.0中即生成鎖骨的有限元模型。

1.5數(shù)字解剖學(xué)研究

以Mimics10.0軟件的三維測(cè)量功能對(duì)每個(gè)重建標(biāo)本分別測(cè)量?jī)?nèi)外側(cè)兩個(gè)凸出的角度，外側(cè)端、中外1/3交界處、中內(nèi)1/3交界處以及內(nèi)側(cè)端四點(diǎn)的上下徑和前后徑。

1.6生物力學(xué)分析

將建立的有限元模型內(nèi)側(cè)段(胸骨端)節(jié)點(diǎn)約束(設(shè)定各方向位移為0)，給予模型外側(cè)端(肩峰端)一個(gè)大小為1480N、方向朝向內(nèi)側(cè)的集中載荷力。

2 結(jié) 果

分別建立了鎖骨的幾何數(shù)字模型和有限元模型(見(jiàn)圖1、圖2)，其解剖測(cè)量見(jiàn)圖3，生物力學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖1 鎖骨的幾何數(shù)字模型 圖2 鎖骨的有限元模型

圖3 鎖骨的數(shù)字解剖測(cè)量

圖4 鎖骨的力學(xué)分析

3 討 論

3.1數(shù)字骨科的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字骨科學(xué)是近幾年來(lái)隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展而提出的一個(gè)概念，經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)和臨床的不斷探索，已取得了不少的成績(jī)。其利用數(shù)字化研究手段，主要用于骨折生物力學(xué)、骨折的三維診斷、手術(shù)模擬、快速成型、個(gè)性化醫(yī)療產(chǎn)品和輔助設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。隨著應(yīng)用的不斷深入，其優(yōu)勢(shì)不斷體現(xiàn)。在生物力學(xué)方面通過(guò)建立有限元模型，可以任意施加載荷，其所建模型可被重復(fù)應(yīng)用，分析結(jié)果可以多種形式顯示，和傳統(tǒng)生物力學(xué)研究方法最大的不同就是可以顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。通過(guò)建立病人骨折的數(shù)字模型可以更加全面的了解骨折的類(lèi)型，而且可以隨意旋轉(zhuǎn)、剖切，使骨折的診斷更加精確、全面。通過(guò)建立骨骼模型并快速成型做成樣品，可進(jìn)行術(shù)前模擬，使術(shù)者做到心中有數(shù)，從而保證手術(shù)的效果，尤其是比較難的骨腫瘤切除、畸形矯形、功能重建等手術(shù)通過(guò)術(shù)前模擬能大大節(jié)約手術(shù)時(shí)間、減少手術(shù)失誤[4]。隨著人們生活水平的提高，對(duì)醫(yī)療質(zhì)量的要求越來(lái)越高，個(gè)性化的醫(yī)療服務(wù)越來(lái)越被重視，在骨科手術(shù)中，個(gè)性化的內(nèi)固定器械更利于手術(shù)的操作和患者功能的恢復(fù)，利用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行個(gè)性化醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)使這一要求變成現(xiàn)實(shí)。

3.2鎖骨的數(shù)字研究現(xiàn)狀及展望

鎖骨是骨骼創(chuàng)傷的多發(fā)部位，骨折的治療失誤率較高，為了更好地治療鎖骨骨折，不少研究者從基礎(chǔ)和臨床進(jìn)行了廣泛研究，涉及到解剖、生物力學(xué)、內(nèi)固定器械的設(shè)計(jì)等多個(gè)方面[5-6]，研究的方式從傳統(tǒng)的尸體標(biāo)本研究到數(shù)字研究。隨著數(shù)字骨科學(xué)的發(fā)展，鎖骨的數(shù)字化研究也取得了很大的發(fā)展，建立的數(shù)字模型更加精確，建模的方法更加簡(jiǎn)捷，所建模型被用于鎖骨的骨性解剖研究、鎖骨骨折的生物力學(xué)研究以及鎖骨骨折的內(nèi)固定材料研究等方面[7-8]。但由于數(shù)字骨科尚處于起步階段，鎖骨的數(shù)字研究尚需進(jìn)一步深入，比如有限元模型的真實(shí)性尚待進(jìn)一步提高。

3.3本研究所建模型的優(yōu)點(diǎn)

本研究通過(guò)分別建立鎖骨的幾何數(shù)字模型和有限元模型進(jìn)行相關(guān)解剖和生物力學(xué)研究，其所得結(jié)論科學(xué)有效，從而證明了所建模型的有效性。本研究建模的原始資料來(lái)源于健康成人，通過(guò)精細(xì)CT掃描保證建模資料的完整性，從而保證了所建模型的真實(shí)性，使其研究結(jié)果更具說(shuō)服力。本研究建?；居捎?jì)算機(jī)生成，極少摻雜人為因素的干擾，從而最大程度的避免了研究者個(gè)人對(duì)模型的影響，減少了模型的主觀性，增加了其客觀性，使模型更具有代表性。本研究所見(jiàn)有限元模型在賦值時(shí)將材料特性分為10級(jí)，依據(jù)原始資料的CT值進(jìn)行定義，使模型的材料特性更加復(fù)雜，避免了以往建模簡(jiǎn)單地將材質(zhì)定義為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的不足，從而使模型的材料特性更加接近于真實(shí)。

數(shù)字模型是對(duì)真實(shí)地模擬，由于受各方面條件的影響，所有模型和真實(shí)之間尚有一定的差距。本研究所建鎖骨數(shù)字模型也還需進(jìn)一步改進(jìn)，尤其是有限元模型，其材料特性不能達(dá)到各向異性，其賦值方法、建模軟件還需不斷更新，使模型的仿真程度更高。

[1]翟桂華.骨與關(guān)節(jié)損傷[M].3版,北京:人民衛(wèi)生出版社,2003：496-505.

[2]盧海燕,黃長(zhǎng)明,王建雄,等.鎖骨骨折內(nèi)固定術(shù)后失敗原因分析及對(duì)策[J].實(shí)用骨科雜志,2010,16(3):199-201.

[3]嚴(yán)世貴,葉招明,楊迪生,等.肱骨近端惡性腫瘤的保肢治療[J].中華骨科雜志,2000,20(7):416-420.

[4]Handels H,Ehrhardt J, Plotz W,et al.Three-dimensionalplanning and simulation of hip operations and computerassisted construction of endoprostheses in bone tumor surgery[J].ComputAided Surg, 2001, 6:65-76.

[5]許本柯,舒先濤,周文明,等.鎖骨解剖觀察及臨床意義[J].解剖學(xué)研究,2001,23(3):224.

[6]石文俊,石繼祥,曹成福,等.重建鋼板不同放置方法治療鎖骨中段粉碎性骨折療效比較[J].臨床骨科雜志,2010,13(1):114-115.

[7]王玉嬌, 李孝林.鎖骨的數(shù)字三維可視化重建及解剖學(xué)測(cè)量[J].解剖學(xué)雜志,2011,34(5)：631-633.

[8]楊志勇,程黎明,涂熙,等.鎖骨三維有限元模型的建立及生物力學(xué)分析[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(11):1316-1319.

10.3969/j.issn.1673-1409(R).2012.07.033

R323.24

A

1673-1409(2012)07-R071-03

2012-05-150

國(guó)家創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃資助項(xiàng)目(101048907)；荊州市科技局計(jì)劃項(xiàng)目(2011)

王玉嬌(1989-)，女，湖北襄陽(yáng)人，主要從事數(shù)字醫(yī)學(xué)研究工作;通訊作者：李孝林(1976-)，E-mail：peterlee869@163.com。

[編輯] 何 勇