不同材料屬性分配方法對椎體有限元模型力學(xué)性能的影響.pdf

1、數(shù)字醫(yī)學(xué)概念的提出促進(jìn)了有限元技術(shù)與醫(yī)學(xué)的結(jié)合，CT數(shù)據(jù)集在三維重建方面的廣泛應(yīng)用更加快了這一進(jìn)程的發(fā)展，尤其是在骨骼模型的構(gòu)建方面顯得特別突出。三維有限元模型可以用于正常骨骼的應(yīng)力應(yīng)變分析，也可用于分析其發(fā)生骨折的危險(xiǎn)系數(shù)或內(nèi)固定物的微動(dòng)情況。在國外，O'Reilly和Whyn，Schmidt等，Little等，Schileo等，Yosibash等對脊柱和股骨等部位進(jìn)行了相關(guān)的研究。在國內(nèi)有限元方面研究也逐漸加深，特別是數(shù)字醫(yī)學(xué)概念的

2、提出更是把有限元技術(shù)與醫(yī)學(xué)方面結(jié)合起來。很多學(xué)者在有限元仿真等領(lǐng)域做出相應(yīng)的研究。
　　 有限元建模是指建立一個(gè)可以由計(jì)算機(jī)順利計(jì)算的數(shù)字模型，該模型要和現(xiàn)實(shí)中物理模型的力學(xué)性能相一致，其實(shí)質(zhì)是用有限元方法在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中建立一個(gè)數(shù)字模型，這個(gè)模型有以下要求:一，要保證力學(xué)的完整性;二:要保證計(jì)算的有效性。即建立的有限元模型有兩個(gè)使命，對上要承載完整的力學(xué)信息，對下要保證計(jì)算機(jī)可以快速準(zhǔn)確的計(jì)算。在建立有限元模型的過程中既要

3、保證所建模型外形與現(xiàn)實(shí)相近，也要使模型的一些力學(xué)材料性能與真實(shí)情況盡量相符。Marom等認(rèn)為CT掃描可以反映出骨骼模型的高特征性。CT掃描作為一種臨床常規(guī)體外非侵入性的診斷方法，它不僅可以提供骨骼精確的幾何學(xué)信息，更可以提供骨骼相關(guān)的機(jī)械性能參數(shù)?，F(xiàn)階段，CT數(shù)據(jù)在有限元領(lǐng)域的最主要用途在于骨骼三維模型構(gòu)建，而對于有限元模型構(gòu)建的另一個(gè)重要組成部分:材料屬性賦值，卻甚少涉及。骨骼是醫(yī)學(xué)有限元分析的主要對象之一，入骨的材料屬性更是十分復(fù)雜

4、的，個(gè)體差異明顯，不同人或同一人體不同部位之間都存在差別。傳統(tǒng)的骨骼材料屬性劃分方法是將骨單純分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨兩部分進(jìn)行賦值，這樣劃分必然與入骨材料屬性復(fù)雜性不符，在計(jì)算中不免會出現(xiàn)較大誤差。隨著人們對CT數(shù)據(jù)認(rèn)識的加深和相應(yīng)軟件的開發(fā)運(yùn)用，逐漸開發(fā)出的一類軟件如MIMICS，BONEMAT, AMAB等，這些軟件可以把CT數(shù)據(jù)作為一種內(nèi)部的數(shù)據(jù)代碼與有限元仿真模型相結(jié)合，其分配方案是根據(jù)CT數(shù)據(jù)的灰度值來決定有限元模型的材料屬性的，

5、具體方法是通過提取出單元體積內(nèi)所有CT圖像的像素值，并計(jì)算出其平均值來賦予到該單元中。這種方法可以最終達(dá)到通過CT灰度值確定有限元模型中每個(gè)單元彈性模量的目的。
　　 醫(yī)學(xué)圖像的三維重建及可視化技術(shù)是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺以及人機(jī)交互技術(shù)將醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。MIMICS是Materialise公司研發(fā)的交互式的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)(Materialis

6、e's interactive medical image controlsystem)，是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它能輸入各種醫(yī)學(xué)影像(CT、MRI)數(shù)據(jù)，建立3D模型進(jìn)行編輯，在PC機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理。該軟件除了可以運(yùn)用于構(gòu)建3D模型，更可以將CT灰度值與模型的材料屬性聯(lián)系起來，按照一定的劃分梯度對模型的材料屬性進(jìn)行賦值。一個(gè)較好的賦值方法，配合一個(gè)較好的分配方案，可以改善計(jì)算中因個(gè)體差異造成的誤

7、差。本實(shí)驗(yàn)就是在MIMICS軟件的基礎(chǔ)上在完成較好的幾何重建的前提下，運(yùn)用其材料屬性分配模塊對模型的彈性模量按照不同分配梯度進(jìn)行賦值，并將這些賦值后模型的有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，再將其與手動(dòng)賦值方法模型有限元結(jié)果比較，得出較好的賦值方法。通過研究兩種賦值方法（CT灰度值賦值法、手動(dòng)賦值法）及CT灰度值賦值法中不同梯度變化對有限元分析結(jié)果的影響，得出一個(gè)相對經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的劃分梯度，為將該法在有限元研究中的應(yīng)用特別是臨床相關(guān)快速建模分析等方面

8、提供相關(guān)的理論依據(jù)。
　　 椎骨有限元建模：
　　 本部分內(nèi)容重點(diǎn)對課題實(shí)施的前期建模工作進(jìn)行歸納總結(jié)，闡述了相關(guān)的方法和技術(shù)，細(xì)致的說明了本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效建模的全過程。有限元分析是近年來在生物力學(xué)領(lǐng)域仿真人體結(jié)構(gòu)力學(xué)功能的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)手段。通過建立人體有限元分析模型，賦予模型相應(yīng)的材料屬性并合理模擬在體條件，可以有效地分析人體結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)。其中，建立有限元幾何模型是有限元仿真分析的基礎(chǔ)，其目的就在于為進(jìn)一步的有限元分析

9、過程提供一個(gè)物理框架，然后可以對這個(gè)框架進(jìn)行相應(yīng)的修飾完善，最終達(dá)到可以完成分析的目標(biāo)。本部分內(nèi)容就是以胸腰椎標(biāo)本為例來說明相應(yīng)骨骼有限元模型建立的一般流程技術(shù)方法及注意事項(xiàng)。重點(diǎn)闡述了對三維重建中構(gòu)造幾何模型的過程，通過相應(yīng)的Remesh操作提高有限元網(wǎng)格劃分成功率及質(zhì)量的方法，以及使用geomagic軟件處理相應(yīng)三維模型得到理想有限元模型的方法。
　　 自動(dòng)分配方法中材料屬性分配梯度對椎骨有限元模型力學(xué)性能的影響
　　

10、 [目的]
　　 研究以灰度值為基礎(chǔ)的不同材料屬性分配梯度對椎骨有限元模型力學(xué)性能的影響。
　　 [方法]
　　 對一位健康成人脊柱（T12～L5節(jié)段）進(jìn)行快速CT薄層掃描，在MIMICS中對每節(jié)椎骨進(jìn)行三維重建，通過Geomagic軟件處理后，導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再返回到MIMICS中按2，4，8，10，50，100，200，400份等8種梯度對材料屬性進(jìn)行分配，最后重新導(dǎo)入ANSYS軟件按照同一載

11、荷條件進(jìn)行有限元分析。
　　 [結(jié)果]
　　 2、4、400這三個(gè)分配梯度與其它分配梯度相比，應(yīng)力情況存在顯著性差異(P＜0.05)，而8、10、50、100、200梯度之間計(jì)算結(jié)果偏差不大。
　　 [結(jié)論]
　　 有限元模型材料屬性劃分不宜過多或過少，10份左右的劃分梯度既可保證運(yùn)算結(jié)果的精確性，也相對可以提高運(yùn)算速度，尤其適用于臨床個(gè)性化快速有限元建模。
　　 材料屬性手動(dòng)分配法與自動(dòng)分配法對

12、椎骨有限元模型力學(xué)性能的影響
　　 [目的]
　　 研究自動(dòng)分配方法與手動(dòng)賦值法對椎骨有限元模型力學(xué)性能的影響。
　　 [方法]
　　 對一位健康成人脊柱(T12～L5)進(jìn)行快速CT薄層掃描，在MIMICS中對每節(jié)椎骨進(jìn)行三維重建，通過Geomagic軟件處理后導(dǎo)回MIMICS中進(jìn)行Remesh處理，然后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。材料屬性按兩種方法劃分:一、手動(dòng)賦值法，直接在ANSYS中選取外圍單元賦

13、予皮質(zhì)骨屬性，其它單元賦予松質(zhì)骨屬性;二、CT灰度值賦值法（自動(dòng)分配法），模型導(dǎo)回到MIMICS中按照10份得分配梯度進(jìn)行材料屬性的賦值。最后在ANSYS中進(jìn)行有限元分析。
　　 [結(jié)果]
　　 手動(dòng)賦值法中椎體的最大位移為28.0583mm，最大應(yīng)力為149.167N; CT灰度10分法椎體的最大位移處位移為24.3517mm，最大應(yīng)力為148.986N。節(jié)點(diǎn)的位移分布情況，手動(dòng)賦值法中位移活動(dòng)范圍等值線較少;CT灰度