三維醫(yī)學影像交互式控制系統(tǒng)在骨科數(shù)字仿真與有限元建模的應用.pdf

1、Mimics即Materialise'sinteractivemedicalimagecontrolsystem,全名是數(shù)字化三維醫(yī)學影像交互式控制系統(tǒng)。是比利時Materialise公司的3D圖像生成及編輯處理軟件。Mimics輸入各種掃描數(shù)據(jù)(CT、MRI)轉化為精確的3D數(shù)字模型,用于解剖教學、手術模擬和有限元研究?？梢栽谄胀≒C機上進行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉換處理。Mimics快速將掃描數(shù)據(jù)轉換成CAD、FEA、RP等數(shù)據(jù)格式。然后輸出到

2、RPM(快速原型制造)、CAD(計算機輔助設計)、CAE(計算機輔助分析)、CAM(計算機輔助制造)和FEA(有限元分析)。Mimics利用基于灰度值提供了一種高效的材質分配方法,可以為3D模型精準地賦材質。FEA模塊網格重新劃分功能對輸入數(shù)據(jù)進行最大限度的優(yōu)化,基于掃描數(shù)據(jù)的亨氏單位,可以對體網格進行材質分配。通過不同的軟件接口輸出不同的有限元軟件進行FEA有限元分析。
　　 Dicom全名為DigitalImagingand

3、CommunicationsinMedicine,意指醫(yī)學數(shù)字圖像存儲與通信標準,是建設綜合醫(yī)療信息系統(tǒng)和醫(yī)學影像存檔傳輸系統(tǒng)所必須遵循的國際標準。Diaom3.0標準的制定使醫(yī)學圖像及各種數(shù)字信息在計算機間傳送有了統(tǒng)一的標準,Dicom格式的原始圖像在預處理時無需進行任何形式圖像轉換,沒有參雜人為因素,大大減輕了有效信息的損失。
　　 本研究將飛利浦Brilliance64排螺旋CT薄層掃描技術和Dicom3.0標準結合起來,

4、利用Mimics在數(shù)字仿真與有限元建模方面的優(yōu)勢,對人體各種組織結構三維模型的重建及有限元分析的最優(yōu)化設計加以探討。
　　 第一部分基于CT斷層圖像人體骨骼有限元幾何模型的快速重建目的:尋求更為快捷、精確的基于CT斷層圖像重建人體骨骼結構有限元幾何模型的方法。
　　 方法:利用Philips/Brilliance64排螺旋CT各向同性分辨率0.625mm的薄層掃描技術,基于0.4mm層厚118層人體寰樞椎的連續(xù)斷層圖像,

5、Mimics9.1軟件直接讀入Dicom格式原始圖像,界定骨組織閾值后軟件自動提取各層面輪廓線,每層圖像經邊緣分割、選擇性編輯及補洞處理,去除冗余數(shù)據(jù),三維化處理后獲得寰樞椎骨骼三維幾何模型,保存為ANSYS面網格文件。ANSYS面網格文件可在ANSYS10.0中生成體網格模型。
　　 結果:建立寰樞椎骨骼三維有限元幾何模型,外型逼真,能夠任意角度的旋轉及縮放觀察,多彩色、透明或任意組合顯示,視覺效果較佳,整體清晰、實體感強。通

6、過不同平面的切面可以觀察各組件的內部結構關系。對寰樞椎三維幾何模型進行三角面片面網格的精度精減后進行高質量網格劃分,導入ANSYS有限元軟件中轉成有限元體網格,選擇合適單元類型后,賦予材料性質可進一步加載求解。
　　 結論:Philips/Brilliance64排螺旋CT薄層掃描技術,Dicom3.0標準的應用使有限元模型的建立更為精確,Mimics軟件直接建立人體骨骼結構的有限元幾何模型,極大程度提高了建模效率。
　　

7、 第二部分“中國數(shù)字人男1號”骨骼系統(tǒng)的數(shù)字仿真及全身骨骼數(shù)據(jù)庫的初步建立目的:尋求基于“中國數(shù)字人男1號”CT斷層圖像重建人體整體骨骼系統(tǒng)三維數(shù)字模型方法,為數(shù)字解剖教學、生理模擬、手術計劃與培訓、有限元分析提供全身骨骼三維數(shù)據(jù)集。
　　 方法:SiemensSommomPlus4螺旋CT機對“中國數(shù)字人男1號”(VirtualChineseHumanVCH)全身分頭部、脖胸部、腹部及上肢、骨盆及手、下肢、膝關節(jié)及足7個序列

8、掃描。層間距全部為1.0mm,頭部序列像素間距0.441mm,脖胸部序列像素間距0.965mm,腹部以下序列像素間距是0.977mm,全身共1721層。Mimics10.0軟件分別導入每個CT序列Dicom格式的斷層二維圖像,自動設定原始掃描參數(shù),圖像經二次內插值處理,基于骨組織閾值,用半自動交互方法對全身骨組織進行三維重建,每個序列的整體骨骼以STL文件格式導出。在骨盆及手CT序列中導入另6個CT序列的整體骨骼STL文件,用Repos

9、ition功能配對,布爾計算后得到“中國數(shù)字人男1號”骨骼系統(tǒng)的整體數(shù)字模型。對除頭顱及手、足以外的骨骼進行標識和分割。分離出的每塊骨骼的外輪廓線模型以獨立的STL數(shù)據(jù)文件存檔,用不同的顏色顯示,初步建立起全身骨骼數(shù)據(jù)庫。
　　 結果:建立“中國數(shù)字人男1號”骨骼系統(tǒng)全身三維數(shù)字模型；實現(xiàn)了單塊骨骼的單獨與任意組合顯示,初步建立全身骨骼系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。重建數(shù)字模型的各個組件可輸出進一步研究。Mimics軟件可以用IGES格式為標準數(shù)

10、據(jù)格式輸出用作CAD(計算機輔助設計),RP(快速成型),也可導出面單元或面網格在Ansys、Nastran、Patran、Abaqus等有限元軟件中轉化成體單元進行FEA(有限元分析)。
　　 結論:利用“中國數(shù)字人男1號”螺旋CT斷層二維圖像,Mimics軟件基于骨組織閾值,建立了高精度的骨骼系統(tǒng)三維模型。數(shù)字模型各個組件可以輸出用于計算機輔助設計、快速成型及有限元分析。
　　 第三部分腰椎運動節(jié)段數(shù)字模型的重建及三

11、維可視化研究目的:尋求基于CT斷層圖像重建腰椎運動節(jié)段數(shù)字模型及三維可視化的方法。
　　 方法:Philips/Brilliance64排螺旋CT對腰4椎體上緣至腰5椎體下緣沿橫斷面連續(xù)掃描,骨組織窗為掃描條件,像素點距0.365mm,層間距0.5mm,共156層。Mimics10.0軟件讀入Dicom格式連續(xù)斷層圖像,自動設定CT原始掃描參數(shù),圖片經二次內插值處理,界定骨組織閾值,軟件自動形成各層面骨組織外輪廓線,行圖像邊緣分

12、割出腰4-5椎體。圖像經編輯、補洞處理,去除無關邊緣雜點和冗余數(shù)據(jù),經區(qū)域增長3D計算建立腰4-5三維幾何模型。界定各種軟組織閾值,建立纖維環(huán)、髓核、上下軟骨終板的三維模型。參數(shù)化建立6種韌帶三維模型。重建數(shù)字模型的各部件都可用于有限元分析。以腰5為例作有限元網格優(yōu)化并導入有限元分析軟件進行模型驗證。
　　 結果:建立腰椎L4-5運動節(jié)段三維數(shù)字模型,包括兩個椎體、皮質骨、松質骨、終板、纖維環(huán)、髓核及6種韌帶,數(shù)字模型可輸出用作

13、CAD(計算機輔助設計),RP(快速成型)及FEA(有限元分析)研究。
　　 結論:薄層CT掃描技術,Dicom3.0標準的應用使數(shù)字模型的建立更為精確,Mimics軟件建立人體骨骼及軟組織各種結構更為方便,并可輸出數(shù)字模型用于進一步研究。
　　 第四部分人工髓核置換的三維有限元模型的建立目的:建立L4/L5腰椎節(jié)段PDN～SOLO人工髓核置換的三維有限元模型,為進一步的腰椎生物力學研究提供標準數(shù)學模型。
　　

14、方法:健康志愿者及人工髓核置換(PDN-SOLO-7型)患者各一名,Philips/Brilliance64排螺旋CT掃描獲取數(shù)據(jù)。健康志愿者從腰4椎體上緣至腰5椎體下緣沿橫斷面連續(xù)掃描,掃描條件為骨組織窗,像素間距0.365mm,層間距0.5mm,共156層。人工髓核置換(PDN-SOLO-7型)患者,對腰1椎體上緣至尾骨沿橫斷面連續(xù)掃描,掃描條件為軟組織窗,像素間距0.282mm,層間距0.329mm,共735層。掃描數(shù)據(jù)以Dico

15、m3.0標準存儲。在Mimics10.11軟件中建立L4/L5腰椎運動節(jié)段幾何模型。按PDN-SOLO-7型水化后假體高度8.5mm,前后徑為14.7mm,橫徑25mm,在Mimics軟件中參數(shù)化建立PDN-SOLO-7型人工髓核三維幾何模型,以STL三角面片文件存檔和導出。Mimics軟件中模仿腰椎后路椎間盤摘除人工髓核置換術(PPA)用Reposition功能建立人工髓核置換三維有限元幾何模型。PDN-SOLO-7型人工髓核假體根據(jù)

16、手術設計正位位于椎間隙中央,側位時位于椎間盤的前、中1/3。Remesh網格重劃功能對各組件進行面網格精度銳減和質量優(yōu)化,輸出Ansys面網格文件,在ANSYSPRODUCTS11.0轉化成體單元網格。腰4和腰5體單元網格重新導入Mimics進行材料分配,根據(jù)灰度值分成4個區(qū)域,分別對應松質骨、皮質骨、椎弓板及椎弓根,根據(jù)腰椎經驗公式將亨氏單位轉化成密度值后分配給相應的體網格,為每一種物質定義彈性模量及泊松比。余組件及PDN-SOLO-

17、7型人工髓核直接定義彈性模量及泊松比。在ANSYS用高級有限元裝配技術,建立L4/L5腰椎節(jié)段PPA術后三維有限元模型。
　　 結果:建立了正常LA/L5運動節(jié)段、PDN-SOLO-7型人工髓核、PPA術后三維幾何和有限元模型。PPA術后模型分為92516個四面體單元,153963個節(jié)點,由腰4、腰5、纖維環(huán)、上下終板、7條韌帶和人工髓核13個組件構成,由三維10節(jié)點SOLID92固體單元模擬。PDN-SOLO-7型人工髓核模型

18、分為3288個單元,5495個節(jié)點。L4/L5運動節(jié)段骨性結構模型劃分為63839個四面體單元,99139個節(jié)點。6組韌帶包括前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶和一對橫突間韌帶。7條韌帶分為11669個四面體單元,23857個節(jié)點,韌帶總表面積7624mm2。上下關節(jié)突關節(jié)面及人工髓核假體與上下終板間處理為三維接觸模型,柔性接觸、面-面接觸單元。
　　 結論:通過64排螺旋CT掃描可以獲得準確的腰椎幾何數(shù)據(jù),Mimi