馮雨欣 王玥涵 曲佳欣

摘 ?要： 基于CT影像DICOM格式數(shù)據(jù)，應(yīng)用MIMICS精確建模，應(yīng)用3-matic進行四面體網(wǎng)格劃分，利用MIMICS根據(jù)CT灰度值進行材料屬性賦予，通過計算機仿真軟件ANSYS實現(xiàn)力學分析，本文旨在探討生物力學中有限元模型的構(gòu)建途徑，以對臨床提供幫助。

關(guān)鍵詞： CT;股骨三維重建;有限元分析

中圖分類號： TP311.52 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.010

本文著錄格式：馮雨欣，王玥涵，曲佳欣，等. 基于CT的股骨精確建模與三維有限元分析[J]. 軟件，2020，41（01）：4649

【Abstract】： Based on the DICOM format data of CT images， MIMICS is used to model accurately， 3-matic is used to divide tetrahedral meshes， MIMICS is used to assign material attributes according to CT gray value， and ANSYS is used to realize mechanical analysis. The purpose of this paper is to explore the way to construct finite element model in biomechanics， so as to provide help for clinic.

【Key words】： CT; Three-dimensional reconstruction of femur; Finite element analysis

0 ?引言

股骨是應(yīng)力最為復雜的懸臂梁結(jié)構(gòu)，對其生物力學特性的研究，可為運動學、骨科醫(yī)學及手術(shù)方法評定等提供可靠的理論指導[1-2]。近些年，隨著計算機技術(shù)、計算機輔助工程與有限元分析方法的快速發(fā)展，應(yīng)用固體力學研究骨科學已經(jīng)成為重要的研究方向[1]。通過DICOM格式影像數(shù)據(jù)構(gòu)建形態(tài)準確、結(jié)構(gòu)完整的股骨三維有限元模型，是進行股骨有限元分析基礎(chǔ)。本文利用股骨CT影像DICOM數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維有限元模型，進行應(yīng)力分析，對臨床提供幫助。

1 ?對象和方法

對象：采集牡丹江醫(yī)學院附屬醫(yī)院男性志愿者1名，35歲，應(yīng)用影像檢查排除病變、損傷等情況，受試者對試驗方案知情同意，并經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準。

設(shè)備與軟件：美國GE公司128排螺旋CT;圖形后處理工作站：E5 CPU/英偉達 k2200顯卡/22寸液晶顯示器/16G內(nèi)存;建模軟件：比利時MATERIALISE公司MIMICS 21.0/3-matic 13.0;有限元仿真軟件：美國ANSYS公司ANSYS 19.0。

方法：

股骨斷層影像數(shù)據(jù)獲?。翰捎肎E 128排螺旋CT掃描志愿者（健康、無外傷病史）雙下肢，掃描時患者須仰臥，范圍為脛骨近端至股骨遠端。獲取359張斷層影像序列，并以DICOM格式保存。

圖像后處理：獲取的DICOM格式影像數(shù)據(jù)在醫(yī)學圖像處理工作站上用MIMICS軟直接讀。調(diào)整好窗寬、窗位。應(yīng)用ADVACED SEGMENTATION分割工具中的CT Bone Segmentation算法，快速提取出股骨蒙版（mask）（圖1）：感興趣骨骼選擇、蒙版閾值設(shè)定、計算，其中蒙版閾值范圍設(shè)定為180-1494。對提取出的股骨蒙版進行三維計算，獲得完整股骨的三維模型（圖2）。由于初步建立的股骨三維模型存在三角面片缺失等問題，需要將其導入3-matic軟件中進一步修復：采用Laplacian光順方法進行10次迭代光滑表面;采用Remove Spikes工具去除毛刺等方法，最終得到修復后的股骨三維模型（圖3）并以.stl格式導出。

有限元模型建立：由于初步建立的3D 網(wǎng)格模型.stl格式文件是由三角面片組成的，三角面片形狀大小不一、且存在交叉、重疊等問題[4]。應(yīng)用3-matic進行網(wǎng)格劃分前可以使用Smooth、Reduce、AutoRemsh等一系列手段進行網(wǎng)格優(yōu)化處理。圖4為優(yōu)化后左股骨遠端3D 網(wǎng)格模型，圖5為優(yōu)化后左側(cè)人體膝關(guān)節(jié)3D 骨骼模型。圖4為優(yōu)化后左股骨遠端3D 網(wǎng)格模型，圖5為優(yōu)化后左側(cè)人體膝關(guān)節(jié)3D 骨骼模型。：利用3-matic軟件將股骨三維模型導入進行網(wǎng)格劃分。對股骨模型進行四面體10節(jié)點網(wǎng)格劃分（圖4）。將劃分完網(wǎng)格的股骨導入MIMICS中進行材料屬性賦值。本文股骨材料屬性按非均質(zhì)、各向異性、10種材質(zhì)劃分，其中密度（ρ）、彈性模量（E）之間的關(guān)系如公式1公式2所示，泊松比（V）為0.3：

邊界條件與加載：將股骨三維有限元模型內(nèi)外髁緣的全部節(jié)點自由度約束為零（3個方向的位移，3個方向的旋轉(zhuǎn)）作為邊界條件，載荷數(shù)據(jù)模擬70 kg體質(zhì)量患者在正常步行過程中[5]，峰值關(guān)節(jié)載荷作用下的股骨的應(yīng)力分布。載荷的作用點：關(guān)節(jié)力作用點是股骨頭的中心。

3 ?結(jié)果

由圖5可知，股骨在站立位受力分布并不均勻，在股骨中段附近出現(xiàn)應(yīng)力集中情況。股骨頸應(yīng)力雖然也存在應(yīng)力集中情況，但遠小于股骨中段附近。在站立位，股骨頭變形最大，變形程度沿股骨軸向由近端到股骨的中段部位逐漸減小，股骨中段到股骨遠端幾乎無變形（圖6），計算結(jié)果驗證了在臨床上垂直墜落傷時，股骨骨折以股骨中段骨折為主，下段骨折則以螺旋形骨折多見，而股骨頸骨折在這個受傷機制相對較少一些，除了一些骨質(zhì)疏松患者，特別是股骨頸骨質(zhì)疏松為主的，可以出現(xiàn)股骨頸及轉(zhuǎn)子間骨折，頭及大小轉(zhuǎn)子間骨折[5-8]。

4 ?討論

生物力學（biomechanics）是研究生命體變形與運動的學科，是力學與醫(yī)學、生物學等學科相互結(jié)合、相互滲透而形成的一門典型的交叉學科。生物力學作為力學與生物學、醫(yī)學的交叉學科，得益于計算機建模與仿真方法與理論分析方法、實驗方法，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，已在現(xiàn)代科學研究中扮演著越來越重要的角色。目前，骨肌系統(tǒng)建模過程需要詳細考慮的主要因素有：真實的模型結(jié)構(gòu)，基于人體解剖學結(jié)構(gòu)特征參數(shù)提取、精確的解剖學結(jié)構(gòu)三維掃描圖像、人體冷凍切片數(shù)據(jù)庫等不同的數(shù)據(jù)來源的模型建立，準確的材料屬性、考慮皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨等基本組織的精確力學屬性;精確的邊界條件;模型的有效驗證性，最后基于建模仿真技術(shù)針對研究需求開展研究和分析應(yīng)用[8]。

（1）基于斷層圖像的建模是目前醫(yī)學有限元分析的常用方法，通過醫(yī)學成像（CT/MRI等）采集人體器官斷層序列后，經(jīng)過一系列圖像后處理（去噪、裁切、閾值分割）等方法，運用數(shù)據(jù)三維可視化的算法建立模型。本文采用MIMICS的高級分割功能，快速建立股骨三維模型。MIMICS的CT Bone工具所使用的算法利用“選擇種子點”設(shè)定感興趣區(qū)域與邊緣非感性興趣區(qū)域，進而利用蒙板閾值進行分離出感興趣區(qū)域。此種算法相較于單純的閾值分割、區(qū)域增長等傳統(tǒng)方式效率提高90%。通過3-matic軟件的三角面片網(wǎng)格優(yōu)化，修復錯誤，此種方法也相較于采用逆向工程建立三維模型、網(wǎng)格劃分快速的多。此種方式基于數(shù)字化的形式處理，減少了逆向工程與傳統(tǒng)CAD的循環(huán)反復，經(jīng)3-matic處理的三維模型更接近于真實物理模型，精度更高;

（2）股骨材料屬性賦值：股骨結(jié)構(gòu)由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成，二者的彈性模量與泊松比有一定的區(qū)別。對于股骨模型，本文采用均分法對其進行材料賦值，通過體網(wǎng)格的灰度值范圍來離散化灰度值，每一個區(qū)間代表一種材料。根據(jù)不同的灰度范圍定義相應(yīng)的材料，也可以定義股骨為雙線性材料屬性。采用基于CT灰度值定義材料屬性是MIMICS軟件特有的功能，具有一定的先進性;

（3）有限元模型的驗證：目前，有限元研究方法作為生物力學的一種數(shù)學模擬方法，其結(jié)論的真實性最終仍需要實驗生物力學的檢驗;它的優(yōu)點在于可計算骨結(jié)構(gòu)每一點的應(yīng)力、應(yīng)變，提供實驗手段中不易得到的詳細數(shù)據(jù)，并可改變骨結(jié)構(gòu)等的參數(shù);觀察這種改變對完整結(jié)構(gòu)的影響，從而可解釋病理或生理過程中的各種變化機制。只有正確合理的模型才可以用于今后的研究和計算[10]。驗證模型的方法主要包括與實驗研究的結(jié)果做比較，與相似的己經(jīng)驗證的計算機模型做比較，或者結(jié)合以上兩種方法。如果所得結(jié)果基本一致，那么說明模型可以較好地模擬真實情況，從而可以進行有效地計算和分析。通過與以往的文獻比較研究發(fā)現(xiàn)，本模型可以較好地表現(xiàn)骨關(guān)節(jié)等組織應(yīng)力分布的總體趨勢，與以往的研究結(jié)果相近[12-15]，從而證實了本模型可以用于今后的有限元分析計算。

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