基于CT图像人体脊柱腰椎有限元模型研究

1、基于 CT 图像人体脊柱腰椎节段有限元模型研究 1鲍春雨 1, 2,刘晋浩 1, 31东北林业大学工程技术学院,哈尔滨(1500402天津体育学院,天津(3003813北京林业大学工学院,北京(100083E-mail :摘 要:本文利用逆向工程软件 Mimics ,基于 CT 断层扫描图像,重建人体脊柱腰椎节段 三维几何模型,经 ANSYS 转化建立脊柱腰椎 L1-3的理想三维有限元模型,然后在 Mimics 中对所建立的有限元模型赋材质, 实现了非均匀材质的骨组织赋值问题。 该腰椎节段三维有 限元模型高度模拟腰椎结构与材料的特性, 具有结构完整、 空间结构的测量准确度高、 单元 划分精细、

2、重点突出等优点。本模型可进行任意旋转观察,可任意切割,并可通过调整模型 几何及材料参数, 施加不同的载荷与边界条件以模拟不同实验状态。 该数字模型能够以不同 的文件格式输出,可用于计算机辅助设计、快速成型、有限元分析等领域的研究。关键词:CT ;脊柱腰椎节段;有限元模型;逆向工程; Mimics ;中图分类号:R318 文献标识码:A1 引言腰椎作为躯干与骨盆的唯一联系, 其承受的负荷量在脊柱中居首位, 并能在三维空间内 完成较大范围的生理活动,因此椎体所受的载荷多种多样包括:压缩、牵拉、剪切、扭转、 弯曲。 当这些力综合作用时, 极易发生损伤和退变导致功能紊乱, 腰痛的许多问题都与之密 切相

3、关 12。随着对脊柱疾病的认识不断深入, 对其力学研究的要求也相应的提高, 但脊柱及其椎体 具有非对称的复杂外形, 组成的物质亦不均匀, 因此其生物力学特性难以分析。 对于脊柱腰 段的功能解剖学研究一直是解剖学、生物力学和临床医学的研究重点 34,但是迄今为止, 有关这方面的认识还远不够深入。 1975年, Liu 5首次报告了腰椎的三维有限元模型。 Hakim 和 King 6模拟了腰椎后部结构特别是小关节的作用, 进行了静力学和动力学分析。 此后许多 学者相继建立了腰椎段的二维或三维有限元模型, 并对腰椎活动节段在不同类载荷作用下的 应力进行了分析, 虽然在形态和力学性质上较贴近正常人体解

4、剖结构, 但仍具有一定的局限 性 7-10。对于人体脊柱的研究是各个学科继续发展的需要,建立在解剖学水平上的精确三维模 型,是了解骨骼内应力分布情况,解释骨骼重建,估计骨折危险和设计植入假体的关键。因 此能够对人体骨骼进行精确的重建则是研究的基础和关键。 目前对于人体骨骼的重建主要是 基于人体尸体骨的测量数据进行的,或者通过 CAD 进行。由于尸体与活体骨骼的干湿情况 不同, CAD 软件曲面拟合的效果不同均会使重建的结果带有一定的偏差,甚至不能进行后 续的计算。本文采用 CT 扫描图像,结合专业的逆向工程软件 MIMICS 11,进行脊柱腰椎段 的三维重建, 探讨复杂三维结构有限元模型的建立

5、及有限元分析在脊柱生物力学研究中的应 用。2 材料与方法1本课题得到教育部博士学科点专项基金项目(20070022038的资助。2.1实验对象与设备实验对象:22岁正常健康男性志愿者,既往无腰部疼痛疾病史,无腰部外伤史, X 线 检查腰椎未见畸形及退变。 图 1 腰椎 X 线检查图像计算机硬件:Intel(R Core(TM2 Duo CPU 2.00GHz, 2G 内存, 120G 硬盘, 128M 独立 显卡, WindowsXP/Professional操作系统。应用软件:医学 3D 图像处理软件 Mimics10.0 (Materialise's Interactive Med

6、ical Image Control System, Belgium ,有限元分析软件 ANSYS10.0(美国 ANSYS 公司 。2.2图像扫描采用螺旋 CT (Philips Brilliance16对志愿者腰 1椎体上缘至腰 3椎体下缘沿横断面连 续扫描, CT 具有优良的高分辨率扫描功能,并有先进的图像后处理功能和照相输出功能, 实验者取仰卧位,扫描条件:选择骨组织窗,电压 120KV ,层距 0.75mm ,共 186层,扫描 数据以 Dicom3.0标准直接存储。图 2为经过断层扫描获得腰椎段 CT 图像,图像中不同的 强度区域对应着不同的密度值。 图 2腰椎段一断层 CT 图像

7、3 CT图像的处理基于医学图像的数据处理建立有限元模型, 是一件繁琐复杂的事情, 要耗费大量的时间 12。据统计,有限元模型的建立及前处理要占 CAE 分析流程 80%的时间 13。更加快速建 立更为精确的骨骼三维有限元模型是很有必要。采用 Mimics 直接读取 186张 Dicom 格式 CT 断层图像,利用此软件无需对图像进行任 何形式的转化,避免了信息的丢失,大大减少了工作量。经过图像定位(图 3右上角为水平 面,左上角为冠状面,左下角为矢状面,右下角为三维视窗 ,组织图片 , 将 CT 扫描图像输 入到 Mimics 中。为了提取准确的椎骨的轮廓线,通过内插值处理,界定 “ 阈值 ”

8、 的范围 212-3071Hounsfield 单位,使得骨骼部分与其他组织的区别最大化,软件自动生成各层面骨 组织窗轮廓线(图 4 ,对于局部灰度值相近的区域采用人工识别的方式进行提取,经过区 域增长对不同区域进行分割,每个区域对应不同的颜色,利用区域增长在所用 CT 断层图像 中分割出骨组织。 图 3 CT扫描图像定位图 图 4 各层面骨组织窗轮廓4 三维几何模型的建立每层图像经过边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,基于 3D 插补法,将 二维图像转化成 3D 模型,经 3D 计算建立脊柱腰椎段 L1-3椎骨的三维几何模型(图 5a 。 在进行 3D 计算是可以根据需要进行参数的

9、选择。在 Mimics 的 FEA 模块中对生成的三维实 体模型进行网格的重新划分, 光滑处理, 壳与三角形减少分别用于消除小的内含物与减少网 格单元的数量, 提高三角形的质量, 进行三角形自交测试无相交的三角形和坏边, 实现更精 确的椎骨的三维实体模型的重建(图 5b 。 (a(b图 5 经过光顺、重新网格划分前后的 L1-L3三维实体模型5 三维有限元模型建立在 Mimics 的 FEA 模块存储并输出后缀名 .lis 的网格文件。在 ANSYS 中将面网格模型 转化成体网格模型 , 成功建立 283756个四面体单元 (图 6 实体网格, 选择适当的单元类型, 在 FEA 模块中导入 A

10、NSYS 得体网格模型,并在 FEA 模块中根据 CT 扫描图像对体网格赋 予材料属性。 ANSYS 对于工业零件赋材质是比较高效的,因为工业零件的材质基本上都是 均质的。但是对于生物体,如骨组织,从外到内,各种材料的属性都不一样,而且界限也不 是使用 ANSYS 可以定义的。 但是对于 Mimics 这一问题很容易解决, 因为 Mimics 是根据灰 度值对骨组织赋材质的。不同的骨质的材料属性不同,表现在 CT 图像上就是灰度值不同, FEA 模块正是根据这一特点根据 CT 扫描图像对模型进行赋材质 (图 7a 。 在 FEA 模块中输 出赋有材料属性的体网格到 ANSYS 中, 经过附加材

11、料属性的三维脊柱腰椎段有限元模型建 立完成, (图 8b ,根据需要进行加载求解,进行后续研究。 图 6 经过转化前后的腰锥 L1-3三维模型 (a (b 图 7 经过赋值后的脊柱腰椎 L1-3三维有限元模型 本文建立的数字化模型集合外形逼真, 具有极佳的视觉效果, 通过不同平面的切面可以 观察各组件的内部结构关系, 能任意角度的旋转及缩放观察, 动态显示, 该模型可进一步用 于 FEA (有限元分析研究。6 结论本文通过 CT 扫描获得的 Dicom 格式的原始图像在 Mimics 中进行预处理时无需进行任 何格式的转换,避免了信息的丢失,且节约了大量时间,减少了工作量,利用 “ 阈值 ”

12、的界定 完成骨骼轮廓线的提取,实现了自动化,提高了建模速度与精度,在 Mimics 中生成的三维 实体模型经过面网格优化后可直接转化为有限元分析软件能够识别的格式。本研究解决了材料特性非均匀、力学特性各向异性的骨组织的赋值的问题,利用 CT 图 像不同灰度值对所建立的有限元模型不同的材料属性进行赋值, 所建立的三维脊柱腰椎段有 限元模型真实地反映了人体骨骼的实际的材料特性, 更加真实、 可靠, 为后续研究的开展奠 定了坚实的基础。本研究运用有限元方法建立的腰椎 L1-L3节段的三维有限元模型高度模拟腰椎结构与 材料的特性,具有结构完整,空间结构的测量准确度高,单元划分精细,重点突出的特点。 本

13、模型可进行任意旋转观察,模型形态与腰椎的解剖形态具有满意的相似性,可任意切割, 并可通过调整模型几何及材料参数以模拟不同临床与实验状态。 该数字模型能够以不同的文 件格式输出,以用于计算机辅助设计、快速成型、有限元分析等领域的研究。参考文献1贾连顺,现代腰椎外科学,上海远东出版社, 1995年 10月第一版2刘雷等 . 胸腰椎脊柱损伤的生物力学及有限元分析 . 实用骨科杂志 , 2001,7(5:355-3563郭立新,陈威,刘学勇 . 基于有限元模型的人体损伤脊柱的动态特性分析 J.东北大学学报 .2006, 26(9 : 826-8394Seidel H, Bluthner R, Hinz

14、 B.Application of finite element models to predict forces acting on the lumbar spine during whole body vibrationJ.Clinical Biomechanics,2001,16:S57-S635Liu YK,etal.The resistance of the lumbar spine to direct shearJ,Orthop Clin North Am,1972;6:336Hakin NS & King KI.Finite element methods in spin

15、e researchJ,J Biomech,1979;12:2777Gupta S. Development and experimental validation of a three-dimensional finite element modelJ.Proc Inst Mech Eng,2004.218:127-1348SHIRAZI ADL. Biomechanics of lumbar spine in sagital/lateral momentsJ. Spine,1994,19:24079VOO LM, KUMARESAN S, YOGANANDAN N, et al. Fini

16、te element analysis of cervical facetectomyJ.Spine,1997,12:96410LU Ym, HUTTON WC, GRARPURAY VM. Do vending, twisting and diurnal fluid changes in the disc affect element modelJ. Spine,1996,21:257011MIMICS9.1 Reference Guide,Materialise N.V,200512杜汇良,黄世霖,张金换 . 医学图像三维有限元重建中的数据管理及 T10-T12胸椎模型建立 J.生物医学

17、工程学杂志, 2004, 21(5 :840-84313傅栋,靳安民 . 应用 CT 断层图像快速构建人体骨骼有限元几何模型的方法 J.中国组织工程研究与临床 康复, 2007, 11 Research on Finite Element Model of Human Body Lumbar from CT Images Bao Chunyu1,2，Liu Jinhao1,3 1College of Engineering & Technique in Northeast Forest University，Haerbin（150040） 2Tianjin University of

18、Sport，Tianjin（300381） 3Beijing Forestry of University，Beijing（100083） Abstract The article reconstructed the three-dimensional geometrical model of lumbar based on CT images using reverse engineering software Mimics, the three-dimensional finite element model of L1-3 was established by smoothing, re

19、meshing and converting a surface mesh to a volumetric mesh in ANSYS software, subsequently the material properties can be displayed on the model through gray value in Mimics, which cant be completed to bony with asymmetry material characters. The three-dimensional finite element model simulated the structure and property of lumbar, whose structure is whole,