本科毕业论文（设计）DICOM标准和MIMICS软件辅助建立股骨三维有限元模型.pdf

学校代码 1 0 0 6 2 学学 号 号 04061301028 本科毕业论文 设计 UNDERGRADUATE DISSERTATION 论文题目 DICOM 标准和 MIMICS 软件辅助建立股 骨三维有限元模型 TITLE Establish a Three dimensional Finite Element Model of Man Femur Using MIMICS Software and DICOM standard 院 系 生物医学工程系 专 业 生物医学工程 年 级 2004 级 学生姓名 张晓静 指导教师 菅喜岐 副教授 2008 年 6 月 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 摘 要 目的 建立人体股骨的三维有限元模型 从几何上完全忠于真实的的解剖结构 机 械特性上尽量接近股骨真实力学特性 从而作为今后对股骨进一步有限元分析的基础 方法 采用天津医科大学总医院正常成年男性志愿者活体股骨为研究对象 应用 CT 扫 描技术对股骨横截面进行自上而下扫描 获取 CT 图像资料 运用 Mimics 软件进行图 像重建获取股骨三维模型 输入有限元分析软件 ANSYS 对其进行网格化 再导入 Mimics 中确定材料特性参数并赋材质 建立完整的股骨三维有限元模型 通过对股骨 颈干角 前倾角的三维 二维测量结果进行几何特性比较分析 及比较不同股骨模型加 力条件下应力应变分布 来验证所建模型的可行性 结果 获得两个不同节点 四面体 单元数的股骨有限元模型 弹性模量为 CT 值 密度 相关分布 取值范围分别 6 07GPa 15 81Gpa 6 08 GPa 15 74 GPa 之间 不同模型的材料分布 机械特性有所不同 结论 应用 Mimics 并确定合适的网格数可以建立符合股骨机械结构和力学性质的三维有限元 模型 同时建模时间短 据此模型得到的股骨力学特性分析结果可信 以辅助指导临床 应用 关键词 股骨 Mimics 图像重建 CT 断层扫描 三维有限元模型 临床应用 2 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 Abstract Objects To establish a three dimensional finite element model of man femur as a foundation of finite element analysis later which is absolutely obedience to the true anatomical structure in geometry and to the fumur biomechanics in machanism characterastic Methods Femur of an normal adault man who is a volunteer from General Hospital of Tianjin Medical University in vivo as specimen was used to be scaned from up to down to obtain the CT images using CT technology and the Mimics software was used to establish the 3D model to obtain the three dimensional coordinates of femur which were imported to the ANSYS software of finite element analysist and meshed After determining property parameter of materials and materialling in Mimics softrare an intact three dimensional finite element model of femur was set up Compare and analyze the collodiaphyseal angles and femoral antervision angles which are measured with 2 D and 3 D measurements as well as the stress and strain distribution for different modles to validate the modles feasibility Results Finally establish two finite models which have different nodes and elements And the value of their elastic modulus lies between 6 07Gpa 15 81Gpa and 6 08GPa 15 74GPa Material distributing and mechanism characteriatic are different for different modles Conclusion A more precise three dimensional finite element model can be established if appropriate mesh number is confirmed using MIMICS and it will save much time meanwhile Analysis result of the femur s biomechanics using this model is more credible And it can help providing reasonable evidence for clinic application Key words femur Mimics image re establish CT scan three dimensional finite element clinic application 3 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 1 前言 创伤骨科所涉及的损伤机制 骨折诊治 医疗器械研制都与生物力学有紧密的关系 创伤骨科生物力学研究所采用的测试手段 以往常用的有撞击试验 扭转试验 三维运 动试验 应变片测试 压敏片测试等技术方法 1 常用的强度试验和疲劳试验是一种破 坏性的实验 测试时间长 工作量大 费用也较昂贵 近年来发展得较快 日益广泛使 用的是有限单元法 有限单元法是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法 一个结构从理论上 可以分解成许多小而离散化的区域 这些区域称之为有限元素 分解的单元数目越多 越能显示力学行为的真实性 赋予模拟方程式后 在仿真实验中 可以模拟拉伸 弯曲 扭转 抗疲劳等力学实验 可以求解并获得在实验条件下模拟的任意部位变形 应力 应变分布 内部能量变化 极限破坏分析等情况 Brlelmans 2 在1972年首次将有限元法 应用于骨科生物力学的研究 有限元法与其他生物力学测试手段比较 有其特点和优势 例如经典力学的应力分析 对形状不规则的骨组织并不适用 而有限元法可对结构 形 状 载荷和材料力学性能极其复杂的构件进行应力 应变分析 电测法只能测定试件表 面某个点沿某个方向上的平均应力 光弹法为模型实验研究 但模型加工困难 而有限 元法能够克服这些困难 由于人体解剖结构的复杂性及人体间普遍的个体差异 必须构建基于患者个性化解 剖的真实几何模型 尽可能的符合患者真实的几何 生理特征 基于CT图像的个性化生 物力学建模 为生物体有限元模型的建立提供了准确简便的方法 可最大限度的反映真 实的个性化解剖结构 高精度的模拟活体组织的生物力学行为 有限元模型由于具有一 些实验研究方法所不能比拟的优点 因而被越来越多的应用于骨科基础和临床研究 股 骨生物力学特性的研究 可为运动医学 骨科学及手术方案评定等提供可靠的理论指导 3 由于CT数据能够精确描述骨骼的几何形态和材料特性 4 5 因此基于CT数据可以精 确建立骨骼三维有限元模型 本研究利用正常人体股骨CT完扫描资料 在有限元分析软 件ANSYS和Mimics辅助下建立正常人体股骨的完整有限元模型 并根据CT图像数据的 的灰度值特性添加骨组织材料特性 获得的股骨模型更接近真实的骨结构 使得有限元 分析结果更为可信 1 1 DICOM标准简介 DICOM是Digital Imaging and Communication of Medicine的缩写 是美国放射学会 American College of Radiology ACR 和美国电器制造商协会 National Electrical Manufacturers Association NEMA 组织制定的专门用于医学图像的存储和传输的标准名 称 DICOM 是随着图像化 计算机化的医疗设备的普及和医院管理信息系统 特别是 图像存档和通信系统 Picture Archiving and Communication System PACS 和远程医疗系 4 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 统的发展应运而生的 当 CT和 MR等设备生成高质量的 形象直观的图像在医疗诊断 中广泛使用时 由于不同的生产商不同型号的设备产生的图像各自采用了不同的格式 使得不同的设备之间的信息资源难以互相使用 医院 PACS系统的实施具有很大的困 难 医疗信息系统随之带来许多新的问题 为此 美国放射学会和美国电器制造商协会 在 1983 年成立了专门委员会 制定用于医学图像存储和通信的标准 提供与制造商无 关的数字图像及其相关的通信和存储功能的统一格式 本研究所用的原始数据就是通过CT扫描获得的符合DICOM标准的文件 因此研究 取材CT数据有广泛的来源 1 2 医学重建软件Mimics Mimics即Materialise Interactive Medical Image Control System 是对CT MRI Magnetic Resonance Imaging 磁共振成像 图像以及3D透视图像进行交互式查看及 分离的工具 可以将断层扫描的结果转换成CAD CAM软件可以处理的资料格式 如STL格 式以及NURBS曲线资料 在医疗领域可以应用于诊治 手术设计及预演 Mimics包括四个主要模块 1 CT Convert模块 读取CT等医学断层图像数据为 Materialise图像格式的软件工具 6 2 MEDCAD模块 MEDCAD模块是医学影像数据 与CAD之间的桥梁 通过双向交互模式进行沟通 实现扫描数据与CAD数据的相互转换 3 Rp slice模块 Rp slice模块在Mimics与多数RP机器之间建立SLICE格式接口 Rp slice 模块能自动生成RP模型所需的支撑结构 4 Mimics STL 模块 Mimics STL 模块通过 三角片文件格式在Mimics及RP快速成型技术间进行交互 二元及中间插值算法能保证快 速原型件的最终精确度 Mimics进行图像处理的界面包括输入 分割和查看 测量等工具 可以在3D或2D 视图中进行任何点对点的距离测量 还可以进行轮廓线及灰度值的测量 密度测量 随着技术的不断进步 MIMICS的应用领域也越来越广 1 快速原型制造 这个应 用是Mimics开发的初始目的 2 CAD Mimics不仅可以将二维的断层扫描图片三维重 建 而且可以将重建的三维模型以IGES文件输出 3 有限元分析 人体结构的有限元 分析有其重大的研究意义 Mimics可以将重建的三维模型通过不同的接口输出不同的有 限元前处理软件进行体网格划分 同时Mimics可以将体网格模型导回 进行材质赋予 4 手术过程模拟 Mimics不仅可以对断层扫描图片进行三维重建 而且可以做一些假 体设计 同时还可以对假体调整位置 通过布尔运算达到了与本体的最佳配合 Mimics 还可做人体结构测量 这对于整容等手术非常有价值 5 其他方面比如考古学 生物 学等 与工业CT结合 还可以做逆向工程 无损探伤等方面的应用 1 3 常用的大型有限元软件 大型有限元通用软件最初大多是以工业应用为目的 只是后来逐步引入到医学领 域 成为生物力学研究中先进有效的可选方法 目前流行的有限元分析软件主要有 1 美国 ANSYS 公司的 ANSYS 软件 是融结构 流体 电场 磁场 声场分析于一体的大 5 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 型通用有限元分析软件 它能与多数 CAD 软件接口 实现数据的共享和交换 目前广 泛应用于航空航天 汽车工业 生物医学 桥梁 建筑 电子产品 重型机械 微机电 系统 运动器械等领域 MSC 公司的框架式前后处理集成有限元分析系统 MSC PATRAN 大型通用结构分析有限元软件 MSC NASTRAN 高度非线性有限元系统 MSC MARK 3 HKS 公司的 ABAQUS 软件 是功能最强的通用有限元软件之一 可以 分析复杂的固体力学和结构力学系统 4 Matlab 的工具箱 CALFEM Computer Aided Learning of the Finite Element Method 即计算机辅助有限元教学 5 ADINA 相对较 古老的有限元软件 只有基本的计算功能 没有前后处理 必须手工建模 优点在于源 代码开放 6 ALGOR 公司的 Super SAP 1 4 医学建模方法概述 目前主要的建模方法有 1 直接建模法 将三维坐标数据直接输入有限元 按照 点 线 面 体的顺序逐步生成模型 由于人体组织结构形态的不规则性 此方法操作 容易上手 但是手工描点工作量较大 难度高且偏差较大 2 坐标点建模 只能获取 物体表面轮廓的数据点 故无法重建实体的内部形态 3 组织切片建模 如方驰华 7 等 采用数字化虚拟中国人女性一号数据集中所有包含肝脏得连续图像 首先对组织切片图 像进行配准后从中分割提取出肝实质 肝静脉 胆管 胆囊等组织的图像信息 然后应 用可视化工具包 VTK 三维重建 建立肝表面及内部结构得三维形态模型 并模拟手术 切割 刘文军 8 等利用现有的虚拟中国人女性一号数据集中腰椎和股骨部分解剖连续切 片数据集 进行参数计算 依参数对图像进行刚体变换完成配准 将配准后的切片图像 输入二维图像处理软件进行分割 提取感兴趣区域后输入三维重建软件进行三维重建 重建出松质骨的三维立体图像 可清晰看到骨小梁结构 相对CT或者MRI数据 组织切 片具有更高的分辨率 然而这种方法缺点在于整个过程是人为识别组织结构 故存在不 可避免的误差 从而影响模型的精确度 4 基于医学图像建模 是目前建立三维有限 元模型的主流方法 如宋红芳 9 等采用活体股骨上段CT图像资料 运用三维重建软件 3D doctor进行图像重建 获取股骨上段三维坐标 输入有限元分析软件Cosmos M 通 过确定材料参数和网格化 得到完整得股骨上段三维有限元模型 该方法在建模前需转 换初始的医学图像为位图格式 并且后期需进行配准工作 因此存在图像信息丢失的问 题 同时人为配准仍存在不可避免的误差 上述四种建模方法相对较为复杂 因此制约它在临床上的应用 目前 基于符合 DICOM标准医学图像的建模方法愈发受到重视 且逐步成熟 该方法需借助一些第三 方的软件 如Mimics Simpleware等 已有的研究如赵峰 10 等利用Mimics 8 13 及ANSYS 9 0 辅助建立了人下颌骨三维有限元模型 本研究就是采用这种方法 应用Mimics软件 自动提取股骨组织轮廓数据生成包含内部结构信息的实体模型 6 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 2 研究对象和方法 本次试验主要是学习 Mimics ANSYS 软件各模块的功能和联系 及利用两软件进 行由人体二维信息 CT 图片 重建出股骨的三维模型并进行网格划分 有限元分析及赋材 质等过程 并对不同节点数下模型的几何 机械特性方面进行了比较分析 2 1研究对象 本次研究所用的 CT 资料来自天津医科大学总医院选取的正常成年男性志愿者一 名 通过 X 射线排除病变 损伤等各种情况确定其股骨正常 采用 16 排螺旋 CT 在 120kV 扫描电压 300mA 扫描电流 骨组织窗扫描 层厚 1 3mm 层间隔 0 625mm 的 条件下 对股骨沿横截面 轴位 自上而下进行 CT 断层扫描 获取用于三维有限元重 建的二维 CT 图像 384 层 然后以 DICOM 3 0 标准直接存储 图 2 1 DICOM3 0 标准存储的部分二维 CT 图像原始数据 2 2 设备与软件 使用美国 GE 公司 16 排螺旋 CT 机 配备 P4 3 06GHz 处理器和 2G 内存 256M RADEON 显卡 17 寸液晶显示器的个人微型计算机 应用了医学建模软件 Mimics 10 01 Materialise 公司 比利时 大型有限元软件 ANSYS10 0 ANSYS 公司 美国 分 别对图像进行处理 2 3 研究方法 利用三维重建软件 Mimics 对原始 CT 数据进行处理重建出股骨面网格模型 应用 有限元软件 ANSYS 将其转化为体网格模型 并在 Mimics 软件的 FEA 模块中根据人体 股骨特征属性对该模型赋材质 整个过程大致如下图所示 7 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 在Mimics软件中 导入原始 CT 数据 图 2 2 股骨三维有限元模型重建流程图 2 3 1 CT数据的预处理 在 Mimics 软件中读入上述 384 张 DICOM 标准的 CT 图像 然后识别转换为内部通 用的格式来进行处理 格式转换过程中 Mimics 所需要的影像参数可以从 DICOM 格式 里自动读出 然后在图像上手动输入断层图像的方向信息 调整图像对比度 通过肉眼 判断使得影像轮廓和原始图像的人体结构相符合 本研究中具体参数为 custom 模式下 灰度取值范围为 411 1549Hu Housefield unit 图 2 3 确定好方向和对比度的 CT 断层图像 在remesher 中调整 控制三角形数量 得 到面网格模型 通过基本操作分割 提取出股骨 建立股 骨初始三维模型 选用10种材料 结合股 骨密度 弹性模量属性 用均分法对体网格赋材质 在ANSYS中导入面网 格模型 将其转换为体 网格模型 在Mimics中对CT 数据进行预处理 对模型进行几何尺寸和 机械特性上的验证 得到符合股骨机械结构 和力学性质的三维有限 元模型 8 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 2 3 2 股骨分割 在 Mimics 中根据股骨解剖结构特征调整 设置阈值参数 股骨选取时阈值设定为 1221 2782 此时选中了股骨及与其相连的包括髋骨等在内的部分 图 2 5 左 对股骨部 分进行动态区域增长生成 mask1 对 mask1 进行三维计算 图 2 4 股骨选定时对应的灰度值范围 得到包括部分髋骨在内的左股骨三维立体模型 图 2 5 中 在 mask1 上通过擦除 形态 学操作等操作 从 mask1 中分割出股骨部分 mask2 对其进行三维计算得到已去除掉髋 骨等多余部分 但模型表面有部分空洞 图 2 5 中 图 2 5 股骨初始三维模型建立过程 9 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 图 2 6 完整的股骨轮廓线 图 2 7 股骨初始空间模型 2 3 3 股骨三维空间模型的建立 根据二维 CT 上显示的股骨轮廓 在 mask 2 上检查各层 CT 图像进行适当的绘制和 擦除 从而准确的选中左股骨部分 然后对其进行 polylines 计算和 polylines 动态增长 同时结合手动操作选取左股骨表面轮廓 重复上述步骤直至准确选中股骨各层的表面轮 廓 如图 2 6 对该 polylines 进行填充 得到 mask3 对 mask3 进行动态区域增长及三 维计算 计算出股骨初始空间模型 图 2 7 2 3 4 面网格模型的建立 利用网格重画器 remesher 生成面网格模型并调整 控制三角形单元的数量及质量 使绝大多数单元符合等边三角形 另外还进行局部三角形减少 表面光滑等处理 最终 得到面网格模型 2 3 5 体网格模型的建立 在 Mimics 的主界面中以 Ansys 类型导出面网格模型 导出文件格式为 lis 然后 在有限元软件 ANSYS 中导入 lis 格式文件 添加一个 solid 10node 92 元素类型 之后对 面网格模型进行体网格化处理 写节点 元素数 写 prep7 文件等操作 2 3 6 对模型赋材质 模型最后在 Mimics 软件的 FEA 模块中导入所选股骨有限元模型 选用 10 种材料 用均分法对股骨材料进行赋值 即将股骨体网格的灰度值范围等距细分为 10 份 每个 小区间代表一种材料 每个小区间由区间中心灰度值代表 每种材料用不同的颜色来表 示 然后根据股骨的密度表达式和弹性模量表达式 式 2 1 2 2 设定材料参数 据此对 股骨赋材质 最终得到股骨三维有限元模型 grayvaluedensity 10177 13 2 1 densityModuleE 59258 338 2 2 2 3 7 有限元模型的验证 为了验证该方法建立的有限元模型在几何形状上的可行性 分别对模型的主要几何 参数 前倾角 颈干角 进行三维和二维测量 并进行比较分析 另外分别对模型加力 分析比较其应力应变的分布情况 从而分析所建有限元模型的可行性 10 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 三维模型颈干角的测量方法 选择俯视位观察股骨头 股骨颈整体形态 并与股骨 髁状面的二维CT图像置于同一帧荧屏上 在三维CT图像上 如图 2 8 左 所示 采用平 面几何方法确定股骨头的中心A点 在股骨颈的最狭窄部取股骨颈中心点B 两点连线 AB为股骨颈轴线 它与股骨髁后平面连线 线段 2 的平行线 线段 3 构成股骨颈前倾角 普通CT 二维CT测量方法 在上述扫描获得的二维CT图像中 选择同时显示股骨头 和股骨颈的层面 进行CT二维测量度数 其余测量方法与三维CT测量方法相同 13 颈干角的测量方法 首先将股骨调整到人正常站立位时的解剖位置 使髁状面与人 体冠状面一致 然后取股骨头中心 A 点与股骨颈中心 O 所在直线与股骨干轴线 OB 所成 夹角AOB 即为颈干角 A 股骨头中心 B 股骨颈中心 线段 AB 股骨颈轴线 线段 2 股骨髁 后平面连线 线段 3 线段 2 的平行线 股骨颈前倾角 图 2 8 股骨颈前倾角三维 CT 测量 左 前倾角二维 CT 测量 右 对模型进行加力时 首先将股骨调整到人正常站立位时的解剖位置 然后将股骨三 维有限元模型内外髁下缘全部节点的自由度约束为零作为边界条件 以股骨头中心为作 用点加载 200N 的垂直载荷 研究对象体重 600N 的 1 3 计算分析该状态下股骨的应力 分布 3 实验结果 按照研究方法部分的操作步骤对 CT 图像进行预处理 股骨分割 体网格转换 赋 材质等 最终得到节点 四面体个数不同的两个有限元模型 分别为 124786 个节点 85376 个四面体单元的模型一和 74874 个节点 50060 个四面体单元的模型二 3 1 模型一的面网格模型及三维有限元模型 11 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 图3 1 CT灰度值与模型一元素数分布图 图3 2 模型一材料及对应的元素数分布直方图 模型一元素数 元素数 模型一中各材料 CT 灰度值 a b c d a 面网格模型 b 优化后面网格模型 c ANSYS中面网格模型 d 体网格空间模型 图 3 3 建模过程模型一不同阶段的模型 图 3 1 为各 CT 灰度值下模型一元素数的分布 本研究选用了十种不同的材料 采 用均分法对图 3 3 d 所示的体网格空间模型赋材质 图 3 2 中十种不同的颜色表示十种 材料 图 3 2 横轴表示每种材料对应的不同 CT 灰度区间 纵轴表示模型一中各材料对 应的元素数 图 3 3 给出了建模过程模型一不同阶段对应的模型 由左至右依次为模型一导入 ANSYS 的初始面网格模型 如图 3 3 a ANSYS 中进行过三角形网格数量 质量调整 控制等操作后优化的面网格模型 如图3 3 b 导入ANSYS后的面网格模型 如图3 3 c 转换为体网格的空间模型 如图 3 3 d 图 3 4 为赋材质后不同视图下的股骨有限元模 型 其中每种颜色材料代表的意义同图 3 2 横轴所示 表 3 1 为泊松比统一为 0 3 时 模型一 10 种不同材料对应的密度 弹性模量参数 图 3 4 左股骨三维有限元模型一前 后 左 右视图 从左至右 表 3 1 股骨有限元模型一的材料参数 密度 弹性模型 泊松比统一为0 3 12 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 Material index Density Gv E modulus Pa 1 1016099 795 607119238 4 2 1197278 549 715373543 9 3 1378457 303 823627849 5 4 1559636 057 931882155 5 1740814 811 1040136460 6 1921993 565 1148390766 7 2103172 318 1256645072 8 2284351 072 1364899377 9 2465529 826 1473153683 10 2646708 58 1581407988 3 2 模型二的面网格模型及三维有限元模型 图 3 5 CT 灰度值与模型二元素数分布图 图 3 6 模型二材料及对应的元素数分布直方图 CT 灰度值 模型二元素数 模型二中各材料 元素数 图 3 5 为各 CT 灰度值下模型二元素数的分布 本研究选用了十种不同的材料 采 用均分法对图 3 7 d 所示的体网格空间模型赋材质 图 3 6 中十种不同的颜色表示十种 材料 图 3 6 横轴表示每种材料对应的不同 CT 灰度区间 纵轴表示模型二中各材料对 应的元素数 图 3 7 给出了建模过程模型二不同阶段对应的模型 由左至右依次为模型二导入 ANSYS 的初始面网格模型 如图 3 7 a ANSYS 中进行过三角形网格数量 质量调整 控制等操作后优化的面网格模型 如图3 7 b 导入ANSYS后的面网格模型 如图3 7 c 转换为体网格的空间模型 如图 3 7 d 图 3 8 为赋材质后不同视图下的股骨有限元模 型 其中每种颜色材料代表的意义同图 3 6 横轴所示 表 3 2 为泊松比统一为 0 3 时 模型二 10 种不同材料对应的密度 弹性模量参数 13 a b c d 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 a d c b a 面网格模型 b 优化后面网格模型 c ANSYS 中面网格模型 d 体网格空间模型 图 3 7 建模过程模型二不同阶段的模型 图 3 7 建模过程模型二不同阶段的模型 图 3 8 左股骨三维有限元模型二前 后 左 右视图 从左至右 图 3 8 左股骨三维有限元模型二前 后 左 右视图 从左至右 表 3 2 股骨有限元模型二的材料参数 密度 弹性模型 泊松比统一为 0 3 表 3 2 股骨有限元模型二的材料参数 密度 弹性模型 泊松比统一为 0 3 Material index Material index Density Gv Density Gv E modulus Pa E modulus Pa 1 1017775 214 608120317 6 2 1197315 212 715395450 6 3 1376855 184 822670583 7 4 1556395 156 929945716 7 5 1735935 127 1037220850 6 1915475 099 1144495983 7 2095015 071 1251771116 8 2274555 042 1359046249 9 2454095 014 1466321382 10 2633634 986 1573596515 3 3 股骨三维有限元模型颈干角 前倾角的测量 14 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 对前倾角 颈干角分别进行5次三维 二维测量 取均值 得到下列结果 表3 3 前倾角二维测量结果 三维测量结果 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 均值 7 93 7 98 7 84 7 65 7 50 7 78 11 32 11 37 11 28 10 86 11 03 11 34 表3 4 颈干角二维测量结果 三维测量结果 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 均值 131 32 138 50 134 95 137 44 138 23 136 478 127 61 125 57 129 39 123 48 127 17 127 186 由于是对活体股骨模型的快速重建 无法直接测量股骨标本的实际几何参数 但是 可以利用二维的 CT 图像或者重建获取的三维空间模型来测量 前者已有较多的文献报 道且应用较为成熟 研究对股骨的前倾角 颈干角分别应用前面两种方法进行测量 并 分析应用三维空间模型测量的准确性 结果显示三维 CT 测量同样有一定的参考价值 3 4 应用Mimics所得模型与统一材料参数模型力学性能的比较 正常状态下 髋关节各个方向受力保持平衡 在不同位置时髋关节受力情况不同 正常双足站立时身体的重力线通过耻骨联合的后侧 由于髋关节是一个稳定的关节 此 时假设不需肌肉收缩来达到直立状态 仅靠关节囊与韧带的稳定作用即可使髋关节稳定 每侧髋关节上负荷约为体重的 1 3 方向与人体重力线同 下面分别为同种受力条件下 即将股骨三维有限元模型内外髁下缘全部节点的自由 度约束为零作为边界条件 以股骨头中心为作用点加载 200N 的垂直载荷 研究对象体重 600N 的 1 3 时 各模型应力分布的分析比较结果 3 4 1 模型一与统一材料参数模型力学性能的比较 15 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 图 3 9 模型一与统一材料模型力学性能对比 b 统一材料模型应力分布 a 模型一应力分布 查看两者的 Vonmises stress 1 首先最大应力值不同 应用 Mimics 所得模型一的 最大应力值为 2 044Mpa 对应统一弹性模量为 12Gpa 的模型为 2 614Mpa 这是由两种 方法赋予股骨的材料力学性质 弹性模量 分布不同决定的 显然统一材料模型没有实 际意义 2 股骨的应力分布区域基本一致 压应力主要集中在股骨干内侧和股骨颈内 侧 拉应力主要集中在股骨干外侧和股骨颈外侧 3 两者所得股骨模型应力分布稍有 不同 应用 Mimics 所得模型的应力分布呈现不规则分布 比较分散 不均匀 这是由 有限元模型的单元材料属性不同造成的 而统一股骨弹性模量为 12Gpa 则呈现为连续性 分布 较集中 均匀 3 4 2 模型二与统一材料参数模型力学性能的比较 图 3 10 模型二与统一材料模型力学性能对比 b 统一材料模型应力分布 a 模型二应力分布 16 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 查看两者的 Vonmises stress 1 首先最大应力值不同 应用 Mimics 所得模型的二最 大应力值为 2 433Mpa 对应统一弹性模量为 12Gpa 的模型为 2 614Mpa 这是由两种方 法赋予股骨的材料力学性质 弹性模量 分布不同决定的 显然统一材料模型没有实际 意义 2 股骨的应力分布区域基本一致 压应力主要集中在股骨干内侧和股骨颈内侧 拉应力主要集中在股骨干外侧和股骨颈外侧 3 两者所得股骨模型应力分布稍有不同 应用 Mimics 所得模型的应力分布呈现不规则分布 比较分散 不均匀 这是由有限元 模型的单元材料属性不同造成的 而统一股骨弹性模量为 12Gpa 则呈现为连续性分布 较集中 均匀 3 4 3 模型一与模型二力学性能的比较 图 3 11 模型一模型二力学性能对比 a 模型一应力分布 b 模型二应力分布 查看两者的 Vonmises stress 1 首先最大应力值不同 应用 Mimics 所得模型的最大 应力值为 2 044Mpa 模型二的最大应力为 2 433Mpa 且模型二应力分布较模型一大 2 股骨的应力分布区域基本一致 压应力主要集中在股骨干内侧和股骨颈内侧 拉应力主 要集中在股骨干外侧和股骨颈外侧 3 这两个模型相对均匀材料模型应力均呈现不规 则分布 模型二为模型一的简化模型 其力学性能更接近单一材质模型 计算量小 力学性 能更趋近于简化的单一的个性同性的材质和外观形态结构 而更精细的有限元模型材更 趋近于真实的自然优化的股骨 其材质各向异性 外观与内部结构完美优化 4 讨论 股骨作为人体体积最大的骨结构 是应力最为复杂的悬臂梁结构 由于股骨在体积 和长度上较其它骨结构大得多 同时受制于计算机 软件处理能力 因此既往研究多集 17 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 中建立股骨的近端 如宋红方 9 李苏皖 14 等的研究 或者远端模型 如苏培基 15 等的 研究 股骨近端模型主要应用于髋臼和人工关节的研究 远端模型则主要应用于膝关 节的研究 整个股骨的有限元模型相对较少 4 1 MIMICS 建模的误差说明 有限元模型的精确性与原始 CT 数据有很大的关系 普通 CT 往往存在较明显的伪 影 且得到的图像分辨率不高 故据普通 CT 数据得到的模型质量同样不高 因此建模 前要考虑图像的质量 尽可能获取层厚小的原始图像数据 其次 建模者需熟悉股骨的 解剖结构 因为在重建过程中往往因为伪影等各种原因需要手动编辑 同时 Mimics 重建模型时本身存在一定的误差 其大小为半个像素 4 2 赋材质过程注意的问题 早期研究对股骨结构的描述多采用统一的弹性模量和泊松比 或者将股骨粗略分为 皮质骨和松质骨两个部分然后分别添加材料属性 这种算法与股骨的真实结构相差较 多 Taylor WR 13 重建尸体骨CT数据并利用模态分析等获得骨的弹性模量 在准确度上 有了进一步提高 然而在保证材料属性的精确程度的同时 该研究需要花费大量时间 因此制约了它在临床上的应用 随着计算机软硬件功能的改进和完善 医学重建软件 Mimics则很好的解决了这一问题 Mimics为模型分配材料属性的原理在于根据股骨不同 区域的灰度值计算出对应区域的密度 并在此基础上得出区域的弹性模量及泊松比 因 此在精度上有了较大的提高 同时大大缩短了整个建模的时间 经临床得到CT数据后直 接导入软件逐步生成三维空间模型 面网格模型并结合有限元软件生成体网格模型 最 后在Mimics中完成股骨材料属性的添加 本研究将股骨模型的泊松比统一设定为 0 3 这与股骨的真实泊松比值有所偏差 故今后需要补充材料学研究得出泊松比基于股骨密 度的关系表达式以进一步提高模型的准确性 Mimics软件是根据图像的灰度值对模型添加材料属性 但是在密度与灰度值关系公 式的设定上没有明确的规定和说明 而选择不同的系数则决定选择线性材料还是非线性 材料 同时决定了材料选择的精确程度 本研究选用的公式为Density 13 4 1017 Grayvalue E Modulus 388 8 5925 Density 11 12 然而由于个体差异及地域差异 该 公式得出的材料属性可能与国人的股骨参数不相一致 因此需结合实验方法对公式重新 推导得出一般的结论 4 3 网格密度对模型的影响 由图 3 4 和图 3 8 可以看出不同节点 元素数所建模型有较大差别 经分析认为是 由于节点数较少的模型因表面粗糙 在光滑处理时相对节点数多的模型失去更多的股骨 表面信息的原因 同时 网格密度 也就是节点 单元数目 对有限元分析的影响很大 网格越密 模型属性越接近真实的股骨结构 但是由于计算机处理能力的限制 不宜选 取过密的网格处理 另外 当网格密度达到一定的程度时 再增加其网格密度对结果的 影响很小 却会耗费更多的计算时间 18 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 4 4 个体化问题的探讨 鉴于个体差异 需对国人的股骨形态及参数做统计学分析以得出一般的结论 才能 使模型参数更接近真实的一般股骨结构 既往研究如国外Belenguer Querol L 15 等对给 定的一组人分别建立股骨三维有限元模型 并对不同人股骨的形状和力学性能差异作统 计学处理 从而使假体植入术符合该研究对象绝大多数人的股骨形态结构 国内相关的 研究有汪伟 16 等对 160 名正常国人股骨近端进行数据采集建立起国人股骨近端大体形 态的实体模型 指出国人股骨头心 干轴距 颈干角与白种人存在明显差异 P 0 001 男性与女性的头心 干轴距 股骨头 小转子中点上方 20mm髓腔内径 小转子中点水 平髓腔内径有显著差异 而同性别中不同年龄组间的对应参数间多数无显著差异 4 5 模型重建过程中的其他关键问题 4 5 1 阈值设定 域值设定是本研究中建立有限元模型的第一步 域值选取过大会丢失必要的信息 过小则易产生伪影 影响分析计算导致所建有限元模型不准确 选定域值时首先在 Mimics 中选择恰当的对比类型 再进行域值设定 域值的选择可以软件默认的数值为 基准 结合对人体解剖结构的认识适当调小域值 使股骨部位尽可能准确的被选中 4 5 2 股骨的准确提取 同时 CT 图像上各邻近组织在空间上大多相连通 如股骨与骨盆 因此要正确分离 开各组织 需要操作者熟悉待重建组织 即股骨 的解剖结构 域值选定后保证股骨中 部被准确选定的情况下 所建模型在结构 重复手动绘制 计算 选取 完善轮廓线 直至提取出股骨完整准确的轮廓线 然后填充股骨轮廓线 动态区域增长并计算三维立 体模型 4 5 3 面网格操作 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节 要考虑较多问题 所需工作量也较大 所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响 网格数量对位移精度和计算 时间都有较大影响 此外网格疏密 网格质量 网格阶次等都对有限元模型的精确度和 合理性有较大影响 而且不同研究目的下 对网格划分的数量等方面要求不同 因此在 网格划分过程中要合理调整网格数目 网格疏密 网格质量等 但是由于人体股骨的不 规则几何形状 需要在确保误差不影响分析结果的前提下反复操作 直至网格单元满足 有限元分析要求 本研究中对股骨上下两端较复杂的部分网格数目较多 三角形网格质 量较高 而在股骨中部其几何形状较规则 网格数目网格质量等方面的要求可以适当降 低 从而可以在网格划分及有限元计算中节省时间 同时对精度也无较大影响 位移精 度 网格数量 计算时间三者关系如图 4 1 所示 计算时间 精度 19 网格数量 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 图 4 1 位移精度和计算时间随网格数量的变化 5 结论 建模过程面网格划分越密 模型重建所需时间越长 对应的有限元模型的节点 元 素数越多 重建出的股骨模型越接近股骨的真实几何尺寸和机械特性 建模过程面网格 疏密划分不同 模型重建过程所需时间不同 后期得到的有限元模型节点和元素数不同 而且所建模型的机械特性也可能存在有较大差异 应用Mimics并确定合适的网格数可以建立符合股骨机械结构和力学性质的三维有 限元模型 同时建模时间短 据此模型得到的股骨力学特性分析结果可信 可以为在此 基础上进行股骨各种骨折和创伤的三维有限元模型 力学分析和进行仿真试验 提供有 效的研究手段 20 天津医科大学生物医学工程系学士学位论文 致 谢 非常感谢天津医科大学生物医学工程系和天津医科大学总医院提供了很好的实验 条件 让我有机会 有条件在天津医科大学总医院骨科实验室学习 实践 最终顺利完 成课题 做课题期间导师张弢主任和蔼可亲 认真严谨的态度对我影响很大 感谢张弢 主任在课题上给了我很多细心专业的指导和帮助 及在论文修改中提出的宝贵意见 感 谢菅喜岐老师在我的课题进度安排 内容调整 论文修改等方面进行了仔细严密的检查 并提出了很多宝贵意见 马剑雄大夫严格 负责的监督管理我的工作进展 并在我遇到 困难时