基于CT圖像構(gòu)建顱骨三維模型及顱骨凹陷性骨折的有限元分析研究.pdf

1、目的:
　　 1.在普通PC機(jī)上建立顱骨的局部三維可視化數(shù)字模型,準(zhǔn)確反映其復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)及空間毗鄰關(guān)系,獲得一種基于CT圖像構(gòu)建顱骨三維模型的制作方法,為臨床顱腦疾患的診斷和治療提供形象可靠的解剖學(xué)資料。
　　 2.建立顱骨的三維有限元模型,通過(guò)加載載荷及設(shè)定邊界條件等力學(xué)參數(shù),探討顱骨發(fā)生凹陷骨折的臨界生物力學(xué)基礎(chǔ)和凹陷骨折的好發(fā)部位及顱骨受到外力后的應(yīng)力變化,為研究顱腦損傷特別是顱骨凹陷骨折的生物力學(xué)特性開(kāi)辟一種行

2、之有效的方法。
　　 方法:
　　 1.對(duì)三位志愿者進(jìn)行64排螺旋CT(西門(mén)子Somatom64型全身CT機(jī))掃描,層厚1mm,層間距0.6mm,掃描范圍包括完整頭部,獲得完整頭部CT數(shù)據(jù),選取較符合國(guó)人平均標(biāo)準(zhǔn)的1名健康志愿者的CT斷層圖像,掃描圖片共158張,實(shí)際建模采用中間有效部位148張,將數(shù)據(jù)存入可讀寫(xiě)光盤(pán),存儲(chǔ)格式為DICOM3.0。
　　 2.在PC機(jī)上,利用醫(yī)用圖像與三維重建軟件MIMICS10.

3、01的圖像導(dǎo)入(Import Images)功能將CT圖像導(dǎo)入,定位后自動(dòng)生成冠狀面、矢狀面及軸位圖像,利用軟件自帶的閾值設(shè)定工具(Thresholding)提取輪廓,界定閾值在230～3080Hu,形成蒙面(Mask)。利用區(qū)域增長(zhǎng)工具(Regiongrowing)選擇熱區(qū),逐層刪除位于其他部位具有和骨骼相同灰度的組織處的標(biāo)記,并手工補(bǔ)全骨骼中未被標(biāo)記的部分。點(diǎn)擊Segmentation下拉菜單中的Calculate3D生成顱骨的三維

4、可視化模型。將模型導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic studio9,進(jìn)行光滑及除噪處理,生成的實(shí)體模型經(jīng)過(guò)組裝,獲得三維實(shí)體顱骨模型,并經(jīng)過(guò)解剖學(xué)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。
　　 3.將生成的三維實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS9.0中,定義顱骨為各項(xiàng)同性線彈性材料,選用ANSYS9.0中的三維10節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元(Solid92),根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道中模型材料參數(shù)確定本實(shí)驗(yàn)顱骨相應(yīng)參數(shù)為:楊氏模量E=10000 MPa,泊松比為0.22,

5、密度為1800 kg/m3。應(yīng)用ANSYS中智能尺寸網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分,局部部位實(shí)行細(xì)化(Mesh Refinement),進(jìn)行控制,最終得到顱骨的三維有限元模型。
　　 4.為減小計(jì)算量并考慮顱骨解剖特點(diǎn),將前面生成的顱骨三維有限元模型簡(jiǎn)化,去掉面顱部分。限定邊界條件為顱底平面全約束,均布載荷4MPa垂直骨面分別施加右額部、右頂部、左額部、左頂部,進(jìn)入計(jì)算(solve)過(guò)程,計(jì)算結(jié)束后,進(jìn)入后處理模塊讀取數(shù)據(jù)(Mises

6、應(yīng)力,單位:Mpa)并顯示應(yīng)力等值線圖。與文獻(xiàn)中報(bào)道的有限元模型數(shù)據(jù)基本吻合,證明本有限元模型有效可用。
　　 5.繼續(xù)針對(duì)本模型,采用ANSYS9.0中的屈曲分析模式,施加同樣的邊界約束和載荷后進(jìn)行求解,計(jì)算出能使顱骨右頂部、頂部正中、右額部等不同部位發(fā)生凹陷骨折的臨界載荷,得出變形后的最大應(yīng)力及應(yīng)力分布等值線圖。
　　 結(jié)果:
　　 1.通過(guò)本課題的研究,獲得了一種基于CT斷層圖像數(shù)據(jù),在普通PC機(jī)上應(yīng)用Mi

7、mics10.01軟件生成的快捷準(zhǔn)確的顱骨局部三維可視化數(shù)字模型,模型包括完整的額骨、頂骨、枕骨、顳骨、蝶骨、篩骨等,準(zhǔn)確反映了其復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)及空間毗鄰關(guān)系,為臨床顱腦部位疾患的診斷和治療疾病提供形象可靠的解剖學(xué)資料。
　　 2.通過(guò)逆向工程軟件Geomagic studio9建立了由額骨、頂骨、枕骨、顳骨、蝶骨、篩骨等共同組成的顱骨的實(shí)體模型,由于成年人骨縫閉合,所以將其視為一個(gè)整體。導(dǎo)入ANSYS9.0中對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格

8、,得到顱骨的三維有限元模型,共有81534個(gè)節(jié)點(diǎn),29743個(gè)單元。
　　 3.限定邊界條件,均布載荷4MPa垂直骨面分別施加右額部、右頂部、左額部、左頂部,得出不同部位最大應(yīng)力(Mises應(yīng)力,單位:Mpa)并顯示應(yīng)力等值線圖,右額部41.337；左額部27.662；右頂部47.732；左頂部52.169。
　　 4.采用ANSYS9.0中的屈曲分析模式,獲得了發(fā)生顱骨凹陷骨折(頂骨凹陷、頂部正中凹陷、額骨凹陷)所需的

9、臨界載荷(Mpa):右頂部429.548;頂部正中679.211;右額部565.942。得出顱骨凹陷變形后所承受的應(yīng)力分布等值線圖及最大應(yīng)力:右頂部307.951；頂部337.021；右額部412.177。
　　 結(jié)論:
　　 1.通過(guò)本課題的研究,獲得了一種基于CT斷層圖像數(shù)據(jù),在普通PC機(jī)上應(yīng)用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件生成快捷準(zhǔn)確的顱骨局部三維可視化數(shù)字模型的方法。
　　 2.建立的顱骨有限元模型,外形逼真,幾何相似

10、性及生物力學(xué)特性經(jīng)過(guò)驗(yàn)汪,可以用來(lái)進(jìn)行生物力學(xué)研究。成功制作出了顱骨凹陷骨折(額骨凹陷骨折、頂骨凹陷骨折、頂部正中凹陷骨折)的有限元模型。
　　 3.通過(guò)有限元分析得出:顱骨遭受外力作用下,頂部相比額部對(duì)于應(yīng)力來(lái)說(shuō)是更為敏感的部位,同樣的外力容易造成更嚴(yán)重的損傷。從凹陷骨折有限元分析的數(shù)據(jù)中看到右頂部的臨界載荷最小,說(shuō)明此處較易發(fā)生凹陷骨折,與臨床中凹陷骨折好發(fā)于頂骨相一致,在一定程度上解釋了凹陷骨折好發(fā)于頂骨的原因。從凹陷后的