三維醫(yī)學(xué)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(yīng)用.pdf

1、Mimics即Materialise'sinteractivemedicalimagecontrolsystem,全名是數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)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(zhuǎn)化為精確的3D數(shù)字模型,用于解剖教學(xué)、手術(shù)模擬和有限元研究?？梢栽谄胀≒C機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。Mimics快速將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、CAE(計(jì)算機(jī)輔助分析)、CAM(計(jì)算機(jī)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(zhì)分配方法,可以為3D模型精準(zhǔn)地賦材質(zhì)。FEA模塊網(wǎng)格重新劃分功能對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)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(wǎng)格進(jìn)行材質(zhì)分配。通過不同的軟件接口輸出不同的有限元軟件進(jìn)行FEA有限元分析。
　　 Dicom全名為DigitalImagingand

3、CommunicationsinMedicine,意指醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像存儲與通信標(biāo)準(zhǔn),是建設(shè)綜合醫(yī)療信息系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)影像存檔傳輸系統(tǒng)所必須遵循的國際標(biāo)準(zhǔn)。Diaom3.0標(biāo)準(zhǔn)的制定使醫(yī)學(xué)圖像及各種數(shù)字信息在計(jì)算機(jī)間傳送有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),Dicom格式的原始圖像在預(yù)處理時無需進(jìn)行任何形式圖像轉(zhuǎn)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(shù)和Dicom3.0標(biāo)準(zhǔn)結(jié)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(jié)構(gòu)三維模型的重建及有限元分析的最優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(shù),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(jīng)邊緣分割、選擇性編輯及補(bǔ)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(wǎng)格文件。ANSYS面網(wǎng)格文件可在ANSYS10.0中生成體網(wǎng)格模型。
　　 結(jié)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(zhuǎn)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(shí)體感強(qiáng)。通

6、過不同平面的切面可以觀察各組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系。對寰樞椎三維幾何模型進(jìn)行三角面片面網(wǎng)格的精度精減后進(jìn)行高質(zhì)量網(wǎng)格劃分,導(dǎo)入ANSYS有限元軟件中轉(zhuǎn)成有限元體網(wǎng)格,選擇合適單元類型后,賦予材料性質(zhì)可進(jìn)一步加載求解。
　　 結(jié)論:Philips/Brilliance64排螺旋CT薄層掃描技術(shù),Dicom3.0標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xué)、生理模擬、手術(shù)計(jì)劃與培訓(xùn)、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(jī)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(guān)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(dǎo)入每個CT序列Dicom格式的斷層二維圖像,自動設(shè)定原始掃描參數(shù),圖像經(jīng)二次內(nèi)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(jìn)行三維重建,每個序列的整體骨骼以STL文件格式導(dǎo)出。在骨盆及手CT序列中導(dǎo)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(jì)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(jìn)行標(biāo)識和分割。分離出的每塊骨骼的外輪廓線模型以獨(dú)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(jié)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(shí)現(xiàn)了單塊骨骼的單獨(dú)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(jìn)一步研究。Mimics軟件可以用IGES格式為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)

10、據(jù)格式輸出用作CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)),RP(快速成型),也可導(dǎo)出面單元或面網(wǎng)格在Ansys、Nastran、Patran、Abaqus等有限元軟件中轉(zhuǎn)化成體單元進(jìn)行FEA(有限元分析)。
　　 結(jié)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、快速成型及有限元分析。
　　 第三部分腰椎運(yùn)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(yùn)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(diǎn)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(shè)定CT原始掃描參數(shù),圖片經(jīng)二次內(nèi)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(jīng)編輯、補(bǔ)洞處理,去除無關(guān)邊緣雜點(diǎn)和冗余數(shù)據(jù),經(jīng)區(qū)域增長3D計(jì)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(wǎng)格優(yōu)化并導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行模型驗(yàn)證。
　　 結(jié)果:建立腰椎L4-5運(yùn)動節(jié)段三維數(shù)字模型,包括兩個椎體、皮質(zhì)骨、松質(zhì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)),RP(快速成型)及FEA(有限元分析)研究。
　　 結(jié)論:薄層CT掃描技術(shù),Dicom3.0標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)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(jié)構(gòu)更為方便,并可輸出數(shù)字模型用于進(jìn)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(jìn)一步的腰椎生物力學(xué)研究提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)存儲。在Mimics10.11軟件中建立L4/L5腰椎運(yùn)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(dǎo)出。Mimics軟件中模仿腰椎后路椎間盤摘除人工髓核置換術(shù)(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(shù)設(shè)計(jì)正位位于椎間隙中央,側(cè)位時位于椎間盤的前、中1/3。Remesh網(wǎng)格重劃功能對各組件進(jìn)行面網(wǎng)格精度銳減和質(zhì)量優(yōu)化,輸出Ansys面網(wǎng)格文件,在ANSYSPRODUCTS11.0轉(zhuǎn)化成體單元網(wǎng)格。腰4和腰5體單元網(wǎng)格重新導(dǎo)入Mimics進(jìn)行材料分配,根據(jù)灰度值分成4個區(qū)域,分別對應(yīng)松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨、椎弓板及椎弓根,根據(jù)腰椎經(jīng)驗(yàn)公式將亨氏單位轉(zhuǎn)化成密度值后分配給相應(yīng)的體網(wǎng)格,為每一種物質(zhì)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(shù),建立L4/L5腰椎節(jié)段PPA術(shù)后三維有限元模型。
　　 結(jié)果:建立了正常LA/L5運(yùn)動節(jié)段、PDN-SOLO-7型人工髓核、PPA術(shù)后三維幾何和有限元模型。PPA術(shù)后模型分為92516個四面體單元,153963個節(jié)點(diǎn),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(gòu)成,由三維10節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。L4/L5運(yùn)動節(jié)段骨性結(jié)構(gòu)模型劃分為63839個四面體單元,99139個節(jié)點(diǎn)。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(diǎn),韌帶總表面積7624mm2。上下關(guān)節(jié)突關(guān)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(jié)論:通過64排螺旋CT掃描可以獲得準(zhǔn)確的腰椎幾何數(shù)據(jù),Mimi