亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于CT圖像股骨個體化固定鋼板數(shù)字設(shè)計及仿真分析

        2013-03-21 05:34:54湯傳玲
        圖學(xué)學(xué)報 2013年3期
        關(guān)鍵詞:個體化輪廓曲面

        劉 煬, 唐 超, 林 華, 劉 揚(yáng), 湯傳玲

        (1. 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2. 宜昌市第二人民醫(yī)院骨科,湖北 宜昌 443200;3.宜昌市中心人民醫(yī)院骨科,湖北 宜昌 443200)

        隨著計算機(jī)圖形學(xué)的快速發(fā)展,數(shù)字影像技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷。數(shù)字影像技術(shù)(計算機(jī)輔助斷層掃描Computerized Tomography,簡稱CT、核磁共振成像Magnetic Resonance Imagine,簡稱MRI)與數(shù)字化設(shè)計相結(jié)合,不僅可以在計算機(jī)中重建人體骨骼的三維模型,虛擬仿真手術(shù)過程,而且還可以通過快速成型系統(tǒng),制造出實(shí)體模型,供醫(yī)生分析病情、指導(dǎo)骨外科手術(shù)[1]。

        內(nèi)固定鋼板被廣泛的應(yīng)用于骨科手術(shù)領(lǐng)域,其基本表面結(jié)構(gòu)是根據(jù)人體解剖學(xué)特征的統(tǒng)計規(guī)律而設(shè)計的,所以形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。但是,內(nèi)固定鋼板多以直行板為主,其表面均為平面,而人體骨骼表面多是復(fù)雜曲面,且個體化差異程度大,標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)固定鋼板與骨骼表面貼合并不理想,人體的匹配度較低,在手術(shù)過程中,主刀醫(yī)生根據(jù)病人實(shí)際骨骼形貌,對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)固定鋼板再加工,使之與患者骨骼表面盡可能匹配。這樣的手術(shù)過程無疑增加了手術(shù)的風(fēng)險性,其安全性大打折扣。一方面延長了手術(shù)時間,增加了手術(shù)難度;另一方面手術(shù)質(zhì)量也會受影響。因此,依托于CT斷層數(shù)據(jù)反求股骨三維實(shí)體模型,提出了一種基于個體化的內(nèi)固定鋼板設(shè)計思想,用以解決標(biāo)準(zhǔn)化固定鋼板在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題。

        1 股骨CT數(shù)據(jù)獲取與處理

        斷層圖像的原始數(shù)據(jù)處理步驟如圖1所示。

        圖1 CT圖像的一般處理過程

        1.1 圖像預(yù)處理

        在拍攝CT圖像的過程中,CT成像由于受外界環(huán)境、溫度、儀器設(shè)備等因素的影響,不可避免引入各種類型的噪聲。為了使圖像輪廓的后期處理更加方便、準(zhǔn)確,必須對圖像進(jìn)行前期預(yù)處理——去噪聲,以提高圖像質(zhì)量。對于CT圖像而言,可選擇的方法很多,如中值濾波法、均值濾波法、小波分析法等。通過實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)中值濾波法對CT圖像的自適應(yīng)性較好,能夠比較好的過濾尖峰信號,去除圖像中因儀器設(shè)備振動而產(chǎn)生的噪聲。該算法簡單,處理速度比較理想,因此,本文采用中值濾波法對CT圖像進(jìn)行平滑處理和去噪聲。

        1.2 灰度圖像二值化

        任何CT圖像都是256階的灰度圖像,在成像的過程中,骨組織和軟組織的灰度完全不同,為了將骨組織的信息保留下來,必須對灰度圖像進(jìn)行二值化處理,分離出關(guān)鍵信息。兩種組織的實(shí)際灰度差距很大,所以可行的二值化的方法很多,而且簡單、實(shí)用。根據(jù)灰度圖像的分布圖選取一個介于兩峰之間的閾值,所有比閾值大的置其灰度值為255,相反的設(shè)置為0。這樣就可以將CT圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像,并把其中的關(guān)鍵信息提取出來。

        1.3 提取邊界輪廓

        提取邊界輪廓的主要目的是為后面的曲面重構(gòu)做準(zhǔn)備,也是為了獲取圖像的外部特征。為了使計算方便,提高運(yùn)算速度,表面重建只須提取輪廓線上若干個關(guān)鍵點(diǎn),通過限定兩個相鄰點(diǎn)之間的距離能夠控制比較理想的精度,而由這些關(guān)鍵點(diǎn)組成的連線能夠比較準(zhǔn)確的表達(dá)出真實(shí)輪廓線的基本形狀。實(shí)際上,通過抽取輪廓線的關(guān)鍵點(diǎn),可以顯著減少目標(biāo)輪廓線上像素點(diǎn)的數(shù)量,也避免了數(shù)據(jù)冗余。

        2 股骨曲面的三維重構(gòu)

        2.1 輪廓曲線矢量化

        每一個片層結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)表示該片層的輪廓曲線,該輪廓曲線中所包含的關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)量差距較大,在進(jìn)行片層結(jié)構(gòu)拼接時,一方面幾何變換過程中容易失真,另一方面,由于所有片層數(shù)據(jù)有一定間距,而且所有關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)也都不是均勻平滑過渡,若干關(guān)鍵點(diǎn)的曲率變化較大,直接擬合成曲面時會有較大誤差,所以,我們將輪廓曲線矢量化,用代數(shù)式表示整條曲線,減少數(shù)據(jù)信息,避免幾何失真,降低擬合誤差。

        矢量化后的輪廓曲線數(shù)據(jù)按照一定的順序,選定一個基準(zhǔn),在該基準(zhǔn)下建立Y軸坐標(biāo)系,選取合理的型值點(diǎn),依次將各個斷層數(shù)據(jù)疊加,最終完成三維數(shù)據(jù)的建立,為曲面的擬合做準(zhǔn)備。矢量化后的輪廓曲線疊層如圖2所示。

        圖2 矢量化后的輪廓曲線疊層

        2.2 曲面擬合

        輪廓曲線矢量化后,需要對各個曲面擬合。目前曲面擬合的方法很多,包括Bezier曲面法、非均勻有理B樣條法( Non-Uniform Rational B-Spline,NURBS )等,各有優(yōu)缺點(diǎn)。雖然Bezier曲面能將各種不規(guī)則曲面表達(dá)的相當(dāng)完美,但是存在連接和局部修改問題。由此,人們提出了NURBS方法,通過提供調(diào)整曲線、曲面控制點(diǎn)和權(quán)因子來修改曲面,設(shè)計方法靈活,運(yùn)算速度快,曲面質(zhì)量高。NURBS曲面的表達(dá)式

        其中沿u向與v向的節(jié)點(diǎn)矢量的節(jié)點(diǎn)數(shù),分別為(r+1)和(s+1)(r=n+k,s=m+l)。這些B樣條基數(shù)分別是由u向與v向的節(jié)點(diǎn)矢量決定的[2]。

        股骨表面曲率變化復(fù)雜,為了使擬合后的曲面有較高的精度,為個體化固定鋼板的數(shù)字設(shè)計做準(zhǔn)備,因此,將股骨外部特征分割成若干塊,各個面片的4條邊界曲線進(jìn)行Bezier曲面擬合。整個曲面擬合過程在Imageware中進(jìn)行,并最終反求出股骨的三維實(shí)體模型。

        3 個體化固定鋼板數(shù)字設(shè)計

        通過對CT數(shù)據(jù)的處理與股骨表面的三維重建,擬合后的股骨三維實(shí)體模型如圖3所示,在斷裂處,我們根據(jù)股骨骨折固定方式,選取需要固定的大概區(qū)域(如圖3中線框區(qū)域所示),在Solidworks2010中,對股骨去除多余實(shí)體,僅留下其中需要的股骨表面,該表面為個體化固定鋼板的貼合面。對該表面進(jìn)行“抽殼”處理,并保證“殼厚朝外”,定義“抽殼厚度”為3mm,得到個體化固定鋼板貼合面的基本形狀(與標(biāo)準(zhǔn)固定鋼板厚度一致),然后進(jìn)行“切除”,留下寬度6mm,長度50mm的長方體結(jié)構(gòu),最后參照標(biāo)準(zhǔn)固定鋼板建立位置完全相同的螺栓孔并倒角,個體化固定鋼板和標(biāo)準(zhǔn)化固定鋼板如圖4所示。個體化固定鋼板與標(biāo)準(zhǔn)固定鋼板主要區(qū)別在于貼合面,前者建立在股骨表面基礎(chǔ)上,為復(fù)雜曲面,因而貼合程度高,圖5為兩種不同類型固定鋼板裝配體貼合程度對比。

        圖3 Solidworks中股骨三維模型

        圖4 個體化與標(biāo)準(zhǔn)化固定鋼板三維模型

        圖5 裝配體三維模型貼合程度對比

        4 固定鋼板裝配仿真分析

        4.1 力學(xué)模型建立

        在Solidworks中進(jìn)行兩種不同類型的固定鋼板的裝配與固定。

        本文對兩種不同類型的固定鋼板進(jìn)行靜力學(xué)分析,將采用一種比較精準(zhǔn)的簡化受力模型,該模型相當(dāng)于體重為70KG的成年人緩慢行走,單足落地時股骨的受力狀態(tài)。其中股骨頭傳遞的關(guān)節(jié)力F=1588N,臀肌肌群肌力K=1039N,髂脛束肌力S=169N,分別與YOZ平面所成夾角為α=24.4°、β=29.5°、γ=0°,且3個力都在基準(zhǔn)平面內(nèi)[3-5]。為了便于仿真分析,將股骨下端切成平面,約束以模仿人體正常緩步行走時的受力模式,如圖6所示。

        圖6 股骨受力模型

        4.2 定義材料參數(shù)

        股骨是一種比較復(fù)雜的不均勻材料,由密質(zhì)骨與松質(zhì)骨組成,其中密質(zhì)骨是各項(xiàng)異性材料,松質(zhì)骨是可以近似的看做各向同性材料[6]。本研究將其簡化為一種均勻變化的均質(zhì)材料,材料的彈性模量E=12000MPa,泊松比μ=0.25[6],固定鋼板的彈性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.3。

        圖7 裝配體網(wǎng)格化(個體化)

        4.3 有限元分析及結(jié)果

        本研究在Ansya12.0中進(jìn)行的,采用實(shí)體單元,并按照兩種不同材料分別定義相關(guān)參數(shù),然后對模型進(jìn)行網(wǎng)格化,建立起該裝配體的有限元模型,網(wǎng)格劃分如圖7所示。該有限元模型的加載力如圖6所示,約束為被切除后的下端平面,分標(biāo)準(zhǔn)鋼板和個體化鋼板兩組對應(yīng)分析求解。為了降低網(wǎng)格化的難度,對該模型進(jìn)行了簡化處理,去除緊固螺栓,在進(jìn)行有限元加載實(shí)驗(yàn)中,對6個螺栓孔分別加載預(yù)緊力,其效果等同。根據(jù)螺栓危險截面的拉伸強(qiáng)度條件公式:

        計算求得需要加載的預(yù)緊力小于500N,取400N。如圖8~圖11所示。

        圖8 標(biāo)準(zhǔn)鋼板應(yīng)變圖分布

        圖9 個體化鋼板應(yīng)變圖分布

        圖10 標(biāo)準(zhǔn)鋼板應(yīng)力圖分布

        圖11 個體化鋼板應(yīng)力圖分布

        以上4圖分別是標(biāo)準(zhǔn)鋼板和個體化鋼板的應(yīng)變、應(yīng)力圖。在簡化模型加載力之后,股骨的中下部存在較大的應(yīng)力集中,符合人體股骨實(shí)際受力情況,簡化模型總體上符合基本要求。從圖中我們可以得知:

        1)應(yīng)變:兩種類型的鋼板應(yīng)變量都非常小,個體化鋼板的最小應(yīng)變?yōu)?.9432×10-5,最大應(yīng)變0.0065528;標(biāo)準(zhǔn)鋼板最小應(yīng)變?yōu)?.2176×10-5,最大應(yīng)變0.0075894。最小應(yīng)變方面降低了12.37%;最大應(yīng)變方面降低了13.65%,個體化鋼板的應(yīng)變總體優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)鋼板。

        2)應(yīng)力:個體化鋼板最大應(yīng)力數(shù)值為2.8396×109Pa,標(biāo)準(zhǔn)鋼板最大應(yīng)力數(shù)值為3.012×109Pa;最小應(yīng)力兩者相差不大,但是最大應(yīng)力方面?zhèn)€體化鋼板降低了5.72%,個體化鋼板各個位置的應(yīng)力均有不同程度的降低。

        同等狀態(tài)下,個體化鋼板的靜力學(xué)表現(xiàn)全面優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)鋼板,耐用程度有一定提高。個體化鋼板是基于人體股骨表面建立的,與股骨表面的匹配性好,貼合程度高,提高了患者的舒適度。另一方面,在一定程度上,相比標(biāo)準(zhǔn)鋼板而言,降低了手術(shù)難度,縮短手術(shù)時間,提高手術(shù)質(zhì)量,對骨外科具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

        5 結(jié) 束 語

        目前,國內(nèi)有許多相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開始做相關(guān)研究。四川華西口腔醫(yī)院在2008~2009年對7例復(fù)雜顱頜面畸形患者建立了顱頜面骨三維數(shù)據(jù),通過計算機(jī)輔助設(shè)計并結(jié)合三維重建技術(shù),對畸形部位實(shí)現(xiàn)了精確化修復(fù)。瀘州醫(yī)學(xué)院在2009年對一只顱骨缺損的成年山羊進(jìn)行了頭顱骨的三維重建,并運(yùn)用熔模鑄造法制造出了個體化鈦合金修復(fù)體。

        將CT成像與CAD/CAE技術(shù)有機(jī)結(jié)合,為CAD/CAE技術(shù)的研究提供了新方向、新思路,有助于加快計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System,簡稱CIMS)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用研究的步伐,對推動計算機(jī)集成制造系統(tǒng)在醫(yī)療設(shè)備工程化邁出了堅實(shí)一步。但是,這種技術(shù)的真正應(yīng)用也面臨著一些需要解決的問題,例如個體化固定鋼板結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,制造難度大,單件制造成本高的問題;各種設(shè)備相互通信的數(shù)據(jù)失真問題。總之, 計算機(jī)輔助設(shè)計與集成制造在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究將會成為一大熱點(diǎn)和方向。

        [1]蘇 春. 數(shù)字化設(shè)計與制造[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009: 257-273.

        [2]張學(xué)棟, 孫 寧. 反求工程過程中基于NUBRS理論的輪廓光滑處理[J]. 裝備制造技術(shù), 2010, (4):52-54.

        [3]趙均海, 劉彥東. 復(fù)雜受力下股骨應(yīng)力分析[J]. 醫(yī)用生物力學(xué), 2006, 21(4): 317-321.

        [4]Scireg A, Arviker R J. The prediction of muscular load joint forces in the lower extremities dwring [J]. J Biomech, 1975, (1): 8-11.

        [5]Stromqvist B, Hansson Li. Femoral head vitality in femoral neck fracture after hook-pin internal fixation[J]. Clin Orthop, 1984, 191: 105-106.

        [6]許瑞杰, 李滌塵, 孫明林. 股骨頸骨折內(nèi)固定方式的有限元分析[J]. 醫(yī)用生物力學(xué), 2004, 19(2):88-92.

        猜你喜歡
        個體化輪廓曲面
        《風(fēng)平浪靜》黑色影像的個體化表述
        今傳媒(2022年12期)2022-12-22 07:20:12
        個體化護(hù)理在感染科中的護(hù)理應(yīng)用
        OPENCV輪廓識別研究與實(shí)踐
        基于實(shí)時輪廓誤差估算的數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制
        相交移動超曲面的亞純映射的唯一性
        圓環(huán)上的覆蓋曲面不等式及其應(yīng)用
        基于曲面展開的自由曲面網(wǎng)格劃分
        在線學(xué)習(xí)機(jī)制下的Snake輪廓跟蹤
        個體化治療實(shí)現(xiàn)理想應(yīng)答
        肝博士(2015年2期)2015-02-27 10:49:46
        脂肪肝需要針對病因進(jìn)行個體化治療
        肝博士(2015年2期)2015-02-27 10:49:43
        久久精品女人天堂AV一个| 国内最真实的xxxx人伦| 蜜桃久久精品成人无码av| 国产情侣一区二区三区| 女人的精水喷出来视频| 玩50岁四川熟女大白屁股直播| 亚洲中久无码永久在线观看同| av网站免费线看| 亚洲中文字幕无码不卡电影| 亚洲发给我的在线视频| 99久久婷婷国产亚洲终合精品 | 亚洲精品中文字幕免费专区| 国产成人精品免费久久久久| 粗大猛烈进出白浆视频| 香蕉视频在线精品视频| 国产综合第一夜| 国产大全一区二区三区| 蜜臀av一区二区三区久久 | 久久久久无码精品国产app| 欧美午夜精品久久久久久浪潮 | 国产免费人成视频网站在线18| 人妻在卧室被老板疯狂进入| 午夜不卡av免费| 日韩中文字幕精品免费一区| 日本最新一区二区三区免费看| 亚洲一二三四五中文字幕| 国产av剧情久久精品久久| 中国一级黄色片久久久| 国产熟妇另类久久久久| 国产精品99久久免费| 中文字幕日本女优在线观看| 亚洲成人一区二区三区不卡| 欧美高清精品一区二区| 日本一二三区视频在线| 好男人日本社区www| 国产亚洲精品hd网站| 亚洲日本中文字幕乱码| 亚洲熟女精品中文字幕| 国产精品成人国产乱| 国产中文aⅴ在线| 一区二区三区视频在线免费观看|