人體骨骼數(shù)字化重建及三維有限元分析.pdf

1、目的： 本課題擬將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于骨科臨床實(shí)踐，共進(jìn)行兩個(gè)部分的研究。①脊柱側(cè)凸是臨床常見(jiàn)病，解剖復(fù)雜，且是包括矢狀面、冠狀面和水平面變化的三維立體畸形。術(shù)前了解脊柱畸形的全貌和細(xì)節(jié)對(duì)正確診斷分型、制定手術(shù)計(jì)劃、確定固定節(jié)段、選擇合適的椎弓根螺釘、估算螺釘進(jìn)釘角度等非常重要。既是臨床工作的重點(diǎn)，對(duì)手術(shù)治療的成功必不可少；同時(shí)又是臨床上的難點(diǎn)，因?yàn)橐酝饪縓線、CT或MR等二維影像資料難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)病變的實(shí)際情況。本課題第一部分，于

2、手術(shù)前對(duì)脊柱側(cè)凸病人進(jìn)行病變脊柱的數(shù)字化三維重建，并應(yīng)用快速成型(Rapidprototyping，RP)技術(shù)制作出畸形脊柱實(shí)體，以指導(dǎo)臨床診斷分型，手術(shù)設(shè)計(jì)及術(shù)前手術(shù)操練。②由于骨盆標(biāo)本很難得到，加之其解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力的傳導(dǎo)呈各向異性，各研究者制作的骨盆標(biāo)本統(tǒng)一性比較差等原因，用實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法難以對(duì)骨盆受力作出全面而準(zhǔn)確的分析，目前對(duì)骨盆的力學(xué)分析還處于極其粗糙的階段。有限元法因?yàn)槠浣Y(jié)果不受樣本數(shù)量限制，實(shí)驗(yàn)誤差小，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，正日

3、益成為骨盆生物力學(xué)研究的重要手段。本課題第二部分對(duì)正常成人骨盆進(jìn)行數(shù)字化重建，并在此基礎(chǔ)上對(duì)骨盆的受力及損傷機(jī)制進(jìn)行三維有限元分析(FiIliteelementanalysis，F(xiàn)EA)。 第一章：脊柱側(cè)凸的數(shù)字化三維重建及快速成型 第一節(jié)、脊柱側(cè)凸的數(shù)字化三維重建 材料和方法： 隨機(jī)選取2007年7月～2007年9月收治的6例脊柱側(cè)凸畸形患者，年齡6-21歲，平均14.0歲，其中男1例，女5例，特發(fā)性脊

4、柱側(cè)凸4例，先天性側(cè)凸2例。術(shù)前均進(jìn)行脊柱PET-CT斷層掃描，掃描層厚1mm，獲得脊柱的細(xì)間距斷面圖像，以DICOM格式保存于光盤(pán)；輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)，應(yīng)用Mimics8.1軟件進(jìn)行三維數(shù)字化重建。重建步驟包括先將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics，然后進(jìn)行圖像分割，利用軟件的3D重建功能對(duì)感興趣的部分進(jìn)行重建，得到脊柱和相鄰骨性結(jié)構(gòu)如肋骨、骨盆等的三維重建圖像。再對(duì)圖像進(jìn)行各種所需的觀察和測(cè)量。 結(jié)果： 本組6例患者全部進(jìn)行脊柱的數(shù)字

5、化三維重建，得到病變脊柱的三維立體圖像。通過(guò)對(duì)3D模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移等操作，結(jié)合觀察軸位、冠狀位及矢狀位二維圖像，可以方便地從任意角度和方向觀察脊柱畸形情況，測(cè)量有關(guān)的數(shù)據(jù)：包括側(cè)凸、后凸、旋轉(zhuǎn)畸形的程度、范圍、包含的節(jié)段；各椎體及附件的相鄰關(guān)系、形態(tài)；椎弓根的橫徑、矢狀徑；相關(guān)骨性結(jié)構(gòu)如胸廓、骨盆的毗鄰關(guān)系、變形情況等等。籍此更全面、更清晰地了解病變的整體及細(xì)節(jié)。還可以在數(shù)字化模型上進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)，模擬內(nèi)固定器械植入操作等。 第

6、二節(jié)、脊柱側(cè)凸畸形的快速成型及臨床應(yīng)用 材料和方法： 在第一節(jié)三維重建的基礎(chǔ)上，將患者脊柱的三維重建結(jié)果以STL格式輸出，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助逐層堆積快速成型技術(shù)，在快速成型機(jī)上以光敏樹(shù)脂材料制作病變脊柱的1:1實(shí)體模型。根據(jù)模型可以直觀地了解病變脊柱的各種信息，進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)，模擬打釘操作等。術(shù)中還可以將模型帶入手術(shù)室，供術(shù)者參考。 結(jié)果： 本組6例患者入院后均進(jìn)行數(shù)字化人體脊柱三維重建和快速成型，全部行手術(shù)治

7、療。術(shù)中見(jiàn)畸形表現(xiàn)與術(shù)前重建所示完全一致，快速成型模型與病變脊柱的形態(tài)、尺寸完全吻合，準(zhǔn)確、直觀地反映了畸形病變的具體狀況。所有患者均按計(jì)劃完成了手術(shù)，手術(shù)過(guò)程順利，術(shù)后效果良好，未出現(xiàn)神經(jīng)、血管損傷等并發(fā)癥。術(shù)后X線和CT復(fù)查矯形效果滿意，顯示椎弓根螺釘位置正確。 結(jié)論： 隨著數(shù)字化人體技術(shù)和快速成型技術(shù)的飛速發(fā)展，將之應(yīng)用于脊柱病變的診斷和治療成為可能。本研究證明了這一技術(shù)應(yīng)用于臨床的可行性和可靠性。對(duì)脊柱側(cè)凸患者，

8、臨床醫(yī)生采集CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化三維重建，利用快速成型技術(shù)生成實(shí)體模型，可以直觀地觀察脊柱畸形的具體病變情況，進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃，模擬手術(shù)操作，還可以更有效地與患者及家屬進(jìn)行溝通。加深了醫(yī)生對(duì)疾病的理解，促進(jìn)了手術(shù)治療效果的提高。 第二章：骨盆的數(shù)字化重建及三維有限元分析 第一節(jié)、骨盆三維有限元模型的建立 材料和方法： 一例中年男性正常志愿者(35歲)，經(jīng)X線、B超檢查排除骨盆損傷、腫瘤、畸形等病變，進(jìn)行PE

9、T-CT掃描，層厚1mm，得到的二維原始圖像以DICOM格式輸出，導(dǎo)入個(gè)人電腦。采用Mimics8.1軟件進(jìn)行骨盆的數(shù)字化三維重建，包括圖像輸入、分割、三維重建等步驟，結(jié)果以STL格式輸出(參考第一章內(nèi)容)。然后進(jìn)行三維模型的后處理：利用Freeform軟件對(duì)模型進(jìn)行平滑、除噪點(diǎn)、鋪面等修飾處理，結(jié)果以有限元分析軟件能夠接受的IGES格式輸出。將經(jīng)過(guò)Freeform軟件修飾后的IGES格式存貯的骨盆三維實(shí)體模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANS

10、YS9.0中，定義模型的單位，設(shè)定實(shí)常數(shù)，定義材料屬性，添加韌帶等骨盆附屬結(jié)構(gòu)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終建立有限元模型。 結(jié)果： 在ANSYS軟件中得到了一個(gè)完整的骨盆有限元模型，包括骨性結(jié)構(gòu)及韌帶、關(guān)節(jié)軟骨等組織。該模型共建立節(jié)點(diǎn)241277個(gè)，單元155194個(gè)。可以在此基礎(chǔ)上對(duì)骨盆進(jìn)行加載，破壞，模擬各種手術(shù)(如復(fù)位、上內(nèi)固定等)操作等。 第二節(jié)、骨盆靜載荷作用下的有限元分析 材料和方法： 在第一

11、節(jié)中建立的骨盆有限元模型中，模擬人體雙腿直立位的生理姿勢(shì)，向骨盆施加軸向載荷。具體方式為約束雙側(cè)髖臼，向骶骨椎體上表面垂直加壓，壓力均勻分布于各個(gè)結(jié)點(diǎn)。所加載荷大小為500N，在ANSYS軟件中進(jìn)行非線性應(yīng)力分析求解。完成之后進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、位移等分析求解過(guò)程，求解結(jié)束之后采用該有限元分析軟件的后處理功能，得出應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D、位移云圖等結(jié)果，結(jié)合臨床進(jìn)行結(jié)果分析。 結(jié)果： 兩側(cè)髂骨應(yīng)力分布情況完全一致，應(yīng)力經(jīng)兩側(cè)骶骨

12、翼、骶髂關(guān)節(jié)，斜向下方經(jīng)過(guò)坐骨大切跡附近，髂骨中央弓狀線，傳導(dǎo)至兩側(cè)髖臼。其中以骨盆背面坐骨大切跡附近所受應(yīng)力最大，為0.434E+07(Pa)。骨盆前環(huán)即恥骨支和恥骨聯(lián)合受力較小。表明骨盆的主要負(fù)重和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)位于后方，前方結(jié)構(gòu)的功能以支撐為主。應(yīng)變集中在兩側(cè)骶髂關(guān)節(jié)，絕對(duì)值很小，約0.004527-0.022633，前方的恥骨聯(lián)合處應(yīng)變極小，可忽略不計(jì)；其余骨性部分無(wú)應(yīng)變。骶骨背側(cè)的骶正中嵴位移最大，達(dá)0.164E-03m(即0.16

13、4mm)。以此為中心，移位向兩側(cè)擴(kuò)散直至髂骨翼部分逐漸減弱至0。 第三節(jié)、外旋應(yīng)力作用下骨盆的三維有限元分析 材料和方法 在第一節(jié)建立的骨盆有限元模型中，約束骶骨，向左側(cè)髂前上棘施加500N水平向后的載荷，模擬骨盆受到外旋應(yīng)力時(shí)的受力情況。 結(jié)果： 在外旋載荷作用下，應(yīng)力沿兩條途徑傳導(dǎo)：一條是向內(nèi)后方經(jīng)同側(cè)骶髂關(guān)節(jié)前部至骶骨上部，另一條是向前方經(jīng)同側(cè)恥骨支、恥骨聯(lián)合至對(duì)側(cè)恥骨。最大應(yīng)力出現(xiàn)在同側(cè)骶

14、骨岬部，為0.240E+08(Pa)，最小應(yīng)力出現(xiàn)在同側(cè)骶髂關(guān)節(jié)上半部。與垂直加載時(shí)應(yīng)力分布不同的是，在此狀態(tài)下骨盆前環(huán)受力較大。利用ANSYS軟件的切割功能，單獨(dú)對(duì)小骨盆進(jìn)行應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)在骨盆前環(huán)中，同側(cè)恥骨上支中段偏前下方處應(yīng)力為前環(huán)中最大的，為0.0142E+08(Pa)，對(duì)側(cè)恥骨上支中段及兩側(cè)恥骨下支所受應(yīng)力也比較大。同側(cè)骶髂關(guān)節(jié)前下方應(yīng)變最大達(dá)0.35，后上方應(yīng)變最??；對(duì)側(cè)骶髂關(guān)節(jié)應(yīng)力很小。前方的恥骨聯(lián)合處應(yīng)變也較大，達(dá)0.

15、22。位移以受力點(diǎn)一該側(cè)髂前上棘處最大，達(dá)0.0035m。同側(cè)的髂骨、坐骨及恥骨支位移均較大，對(duì)側(cè)恥骨支及髂骨外側(cè)半位移較小。位移最小的部位是同側(cè)骶髂關(guān)節(jié)上半部。 第四節(jié)、骨盆損傷內(nèi)固定的三維有限元分析 材料和方法： 在骨盆有限元模型中，模擬一側(cè)骶髂關(guān)節(jié)脫位后，于受傷側(cè)關(guān)節(jié)前方上接骨板螺釘內(nèi)固定。對(duì)內(nèi)固定的骨盆分別施加500N軸向載荷及外旋載荷，進(jìn)行受力分析。 結(jié)果： 垂直加載時(shí)，內(nèi)固定系統(tǒng)處產(chǎn)生

16、了應(yīng)力集中，其最大應(yīng)力達(dá)0.599E+09(Pa)，約為正常骨盆的100倍。同時(shí)，損傷側(cè)關(guān)節(jié)因固定而失去了變形性，應(yīng)變由完整骨盆的兩側(cè)關(guān)節(jié)對(duì)稱變?yōu)閮H正常側(cè)關(guān)節(jié)存在應(yīng)變。位移分布圖則顯示固定側(cè)骶髂關(guān)節(jié)是整個(gè)骨盆中位移最大的部分，達(dá)0.342mm。 在外旋應(yīng)力作用下，內(nèi)固定系統(tǒng)處同樣存在應(yīng)力集中，達(dá)0.265E+10(Pa)。此時(shí)應(yīng)變以前方的恥骨聯(lián)合處最大，是骨盆完整時(shí)該處應(yīng)變的大約4.5倍。位移分布與完整狀態(tài)下的骨盆基本一致，受力

17、點(diǎn)處(左側(cè)髂前上棘)位移最大，內(nèi)固定側(cè)骶髂關(guān)節(jié)的位移極小，與正常狀態(tài)下相似。 結(jié)論： 本研究采用正常成年男性骨盆CT掃描的數(shù)據(jù)，輸入PC機(jī)后通過(guò)Mimics軟件重建數(shù)字化模型，結(jié)果再導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行三維有限元建模和有限元分析。在垂直應(yīng)力和外旋應(yīng)力這兩種加載狀態(tài)中，骨盆的應(yīng)力、應(yīng)變及位移變化趨勢(shì)與采用尸體標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)研究及理論認(rèn)識(shí)基本一致，充分說(shuō)明了模型的有效性和可靠性。并以該模型為平臺(tái)，模擬骨盆損傷(一側(cè)骶髂關(guān)節(jié)脫位