Mimics建模到Marc有限元分析的系統(tǒng)工程和實(shí)例.pdf

1、研究背景:
　　 1.生物力學(xué)的研究以前多數(shù)是觀察臨床病例、進(jìn)行人體標(biāo)本或者動物標(biāo)本實(shí)驗(yàn),隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元分析方法逐漸廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)特別是骨科生物力學(xué)的研究中。在目前多學(xué)科交叉的背景下,工學(xué)和醫(yī)學(xué)相結(jié)合共同研究醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的問題成為常態(tài)。有限元分析方法最早應(yīng)用于工程方面的分析,它在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是工學(xué)和醫(yī)學(xué)緊密結(jié)合的實(shí)例。有限元法研究醫(yī)學(xué)課題有巨大的優(yōu)勢,可以通過分析人體三維模型來了解人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)任一處的應(yīng)力應(yīng)變,可

2、以通過對人體三維模型模仿臨床手術(shù)方便地改變模型的局部結(jié)構(gòu)后再分析,便于手術(shù)前后的比對,并且在當(dāng)前人體尸體標(biāo)本越來越難以獲取的情況下,有限元的模型無限次分析方式更見效果。
　　 有限元分析在生物力學(xué)的應(yīng)用涉及到數(shù)學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)、英語和計算機(jī)等多方面知識,如果是個人通過計算機(jī)編程使用有限元方法來分析生物力學(xué)課題,數(shù)學(xué)和計算機(jī)編程的知識和技巧是絕大多數(shù)的研究者難以逾越的障礙,所幸,當(dāng)前有限元分析的商業(yè)軟件已比較成熟而且逐步得到推廣,應(yīng)

3、用這些成熟的商業(yè)性質(zhì)的有限元分析軟件分析生物力學(xué)課題,為醫(yī)學(xué)專業(yè)的研究者打開了有限元分析生物力學(xué)課題的大門。
　　 在我國具有較大應(yīng)用人群數(shù)量的商業(yè)有限元分析軟件有Ansys、Abaqus、Adina和MSC.Marc等,MSC.Marc有限元軟件是由美國MSC.Software Corporation(簡稱MSC.Software)公司發(fā)行的非線性結(jié)構(gòu)分析的有限元軟件,該軟件的接觸分析和非線性分析能力尤其強(qiáng)大,并且計算的收斂速

4、度快。本研究的依托單位花巨資購買了該軟件,但是MSC.Marc作為大型的非線性有限元分析軟件,界面復(fù)雜,參數(shù)眾多,需要數(shù)學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)、英語和計算機(jī)等多種知識有一定基礎(chǔ)的研究人員才能夠較好的運(yùn)用進(jìn)行醫(yī)學(xué)生物力學(xué)的有限元分析,因?yàn)樵撥浖褂秒y度大,市面參考書少,對軟件的使用者素質(zhì)要求高,所以到目前為止還沒有充分利用造成浪費(fèi)。另外,本研究的依托單位還購買了Mimics醫(yī)學(xué)圖像處理軟件用于三維模型重建。這兩個軟件中,Mimics軟件除了其強(qiáng)大

5、的三維建模功能外,還具有一定的簡單的模型修潔功能,但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；MSC.Marc軟件自帶了MSC.Mentat有限元前后處理器可進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分,但是對復(fù)雜模型的實(shí)體網(wǎng)格劃分其功能限制性太大,并且劃分的成功率也難以保證。這兩個軟件只能算做了有限元分析一頭一尾的工作,其間還缺少修潔調(diào)整三維模型和網(wǎng)格自動劃分的強(qiáng)大銜接工具。在目前情況下,不管是從學(xué)術(shù)研究的角度出發(fā),還是從資源充分利用的角度考慮,建立一條從Mimics到MSC.Marc的系統(tǒng)

6、而完整的有限元分析路線必要而且迫切。這條路線需要做到以下工作:建立三角片面網(wǎng)格的三維模型,修潔三維模型,創(chuàng)建CAD模型,對CAD模型劃分實(shí)體網(wǎng)格,設(shè)置單元的幾何屬性和材料特性以及邊界條件和載荷條件并提交進(jìn)行有限元分析,處理有限元分析的結(jié)果。
　　 2.隨著脊柱固定器械以及融合術(shù)式的不斷改進(jìn),脊柱融合的成功率已經(jīng)達(dá)到較高的水平,脊柱融合固定術(shù)成為目前治療眾多脊柱疾病的行之有效的方法。從長期隨訪資料來看,此項(xiàng)技術(shù)安全、有效,已稱為治

7、療脊柱退變性疾病、脊柱不穩(wěn)、脊柱畸形等脊柱疾病的金標(biāo)準(zhǔn)。但是,術(shù)后長期隨訪發(fā)現(xiàn)了鄰近節(jié)段的退化問題。
　　 因?yàn)榧怪诤蟽?nèi)固定術(shù)后有可能導(dǎo)致鄰近節(jié)段退變的加劇,一些學(xué)者和醫(yī)生已經(jīng)開始考慮脊柱非融合手術(shù)代替脊柱融合手術(shù)進(jìn)行治療。人工椎間盤置換術(shù)是脊柱非融合手術(shù)中的一種。隨著世界科技的進(jìn)步,多種材料多種幾何結(jié)構(gòu)的人工椎間盤紛紛出現(xiàn),極大地提高了人工椎間盤的適用性,但是在其應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了很多新問題。一些專家認(rèn)為,在某些病癥脊柱非融

8、合手術(shù)短期確實(shí)可以達(dá)到一定的療效,但隨之而來又有許多新問題需要更深入的研究,目前,尚無長期隨訪證據(jù)表明非融合技術(shù)優(yōu)于已廣泛采用的融合技術(shù),因此,還需要長期的、前瞻性隨機(jī)研究來判斷非融合技術(shù)的利與弊。
　　 究竟要不要融合?頸椎前路入路手術(shù)行椎間盤切除后融合固定與頸椎前路入路椎間盤切除后置換進(jìn)人工椎間盤兩種手術(shù)方法分別是脊柱融合與非融合的典型術(shù)式,具有很好的對比性。本研究擬在同一標(biāo)本上建立頸椎融合固定術(shù)與人工椎間盤術(shù)兩種術(shù)后三維有

9、限元模型,對這兩類模型進(jìn)行前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn),比較兩者的手術(shù)節(jié)段的上下鄰近節(jié)段的生物力學(xué)特性,嘗試揭示兩種手術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),從而為臨床頸椎適應(yīng)癥的手術(shù)的選擇提供理論基礎(chǔ)。
　　 目的:
　　 1.充分利用本研究的依托單位的現(xiàn)有資源,建立一個完整的從Mimics建模到MSC.Marc有限元分析的系統(tǒng)工程,該系統(tǒng)工程的路徑為:建立三角片面網(wǎng)格的三維模型,修潔三維模型,創(chuàng)建CAD模型,對CAD模型劃分實(shí)體網(wǎng)格,設(shè)置單元的幾何屬

10、性和材料特性以及邊界條件和載荷條件并提交進(jìn)行有限元分析,處理有限元分析的結(jié)果。
　　 2.使用“Mimics建模到MSC.Marc有限元分析的系統(tǒng)工程”所闡述的方法和路徑,建立頸椎融合固定術(shù)與人工椎間盤置換術(shù)兩種治療頸椎病的手術(shù)的三維模型,對其手術(shù)節(jié)段的鄰近節(jié)段的生物力學(xué)特性進(jìn)行有限元分析,嘗試揭示兩種術(shù)式的優(yōu)缺點(diǎn),為臨床頸椎適應(yīng)癥的手術(shù)的選擇提供理論基礎(chǔ)。
　　 材料和方法:
　　 1.采用Mimics醫(yī)學(xué)圖像

11、處理軟件以頸椎CT圖像為依據(jù)重建C3、C4、C5、C6(即第三頸椎、第四頸椎、第五頸椎、第六頸椎)四個頸椎初步的三角片面網(wǎng)格的三維模型,再利用其“Remesh”重新劃分修飾網(wǎng)格功能初步修潔這些頸椎三維模型。
　　 2.利用Geomagic Studio逆向工程軟件,進(jìn)一步修潔C3、C4、C5、C6四個頸椎的三維模型。
　　 3.利用Geomagic Studio逆向工程軟件,依據(jù)前面步驟建立和修潔的C3、C4、C5、C6

12、四個頸椎的三維模型,建立C3與C4之間、C4與C5之間、C5與C6之間的椎間盤、髓核和纖維環(huán)。
　　 4.應(yīng)用Geomagic Studio逆向工程軟件先將封閉的三角形面網(wǎng)格模型構(gòu)建成CAD模型,成為一個幾何實(shí)體,然后再利用MSC.Patran有限元前后處理軟件對這個幾何實(shí)體進(jìn)行四面體體網(wǎng)格劃分。
　　 5.在MSC.Marc有限元分析軟件中對所有的已劃分四面體體網(wǎng)格的頸椎三維模型設(shè)置單元幾何特性、材料參數(shù)。
　　

13、 6.Geomagic Studio逆向工程軟件、MSC.Patran有限元前后處理軟件和MSC.Marc有限元分析軟件相配合,建立融合固定術(shù)后的頸椎三維體網(wǎng)格模型和人工椎間盤置換術(shù)后的頸椎三維體網(wǎng)格模型。
　　 7.應(yīng)用MSC.Marc有限元分析軟件,分別對正常的頸椎三維體網(wǎng)格模型、融合固定術(shù)后的頸椎三維體網(wǎng)格模型和人工椎間盤置換術(shù)后的頸椎三維體網(wǎng)格模型設(shè)置相同的邊界條件和載荷條件,分析三者在前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)15度過程

14、中手術(shù)節(jié)段的上下鄰近節(jié)段的生物力學(xué)特性。
　　 8.在MSC.Marc有限元分析軟件中對有限元分析結(jié)果進(jìn)行后處理。合理應(yīng)用“History Plot”數(shù)據(jù)表圖并配合剪貼板、文本文件編輯軟件、“MicrosoftExcel”電子表格獲得平均值。
　　 結(jié)論:
　　 1.本研究通過不斷嘗試,配合使用四種商業(yè)軟件Mimics、Geomagic Studio、MSC.Patran和MSC.Marc,以頸椎C3-C6(即第

15、三頸椎到第六頸椎)三個節(jié)段為例實(shí)現(xiàn)了一個完整的Mimics建模到MSC.Marc有限元分析的系統(tǒng)工程。該系統(tǒng)工程的路徑為:使用Mimics醫(yī)學(xué)圖像處理軟件依據(jù)頸椎CT斷層圖像對C3、C4、C5、C6四個頸椎重建三角片面網(wǎng)格三維模型并在一定程度上對其修潔；使用Geomagic Studio逆向工程軟件依據(jù)C3、C4、C5、C6四個頸椎三角片面網(wǎng)格三維模型建立其間的椎間盤,并進(jìn)一步對所有模型進(jìn)行修潔,隨后構(gòu)建它們的CAD模型；使用MSC.P

16、atran有限元前后處理軟件在保證相鄰模型的單元的連續(xù)性和連接牢固性基礎(chǔ)上對所有三角片面網(wǎng)格三維模型劃分四面體實(shí)體網(wǎng)格；使用MSC.Marc有限元分析軟件針對模型的不同狀態(tài)分別分析其生物力學(xué)特性。
　　 2.綜合前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)的有限元分析數(shù)據(jù),僅側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)時,在手術(shù)節(jié)段的下位鄰近節(jié)段處髓核的最大應(yīng)力人工椎間盤置換術(shù)較融合固定術(shù)應(yīng)力高。應(yīng)力在鄰近節(jié)段的集中可能導(dǎo)致融合固定術(shù)后鄰近節(jié)段的退變,人工椎間盤置換術(shù)也可能同樣無法避