1、基于 CT 圖像人體脊柱腰椎節段有限元模型研究 1鮑春雨 1, 2,劉晉浩 1, 31東北林業大學工程技術學院,哈爾濱(1500402天津體育學院,天津(3003813北京林業大學工學院,北京(100083E-mail :摘 要:本文利用逆向工程軟件 Mimics ,基于 CT 斷層掃描圖像,重建人體脊柱腰椎節段 三維幾何模型,經 ANSYS 轉化建立脊柱腰椎 L1-3的理想三維有限元模型,然后在 Mimics 中對所建立的有限元模型賦材質, 實現了非均勻材質的骨組織賦值問題。 該腰椎節段三維有 限元模型高度模擬腰椎結構與材料的特性, 具有結構完整、 空間結構的測量準確度高、 單元 劃分精細、

2、重點突出等優點。本模型可進行任意旋轉觀察,可任意切割,并可通過調整模型 幾何及材料參數, 施加不同的載荷與邊界條件以模擬不同實驗狀態。 該數字模型能夠以不同 的文件格式輸出,可用于計算機輔助設計、快速成型、有限元分析等領域的研究。關鍵詞:CT ;脊柱腰椎節段;有限元模型;逆向工程; Mimics ;中圖分類號:R318 文獻標識碼:A1 引言腰椎作為軀干與骨盆的唯一聯系, 其承受的負荷量在脊柱中居首位, 并能在三維空間內 完成較大范圍的生理活動,因此椎體所受的載荷多種多樣包括:壓縮、牽拉、剪切、扭轉、 彎曲。 當這些力綜合作用時, 極易發生損傷和退變導致功能紊亂, 腰痛的許多問題都與之密 切相

3、關 12。隨著對脊柱疾病的認識不斷深入, 對其力學研究的要求也相應的提高, 但脊柱及其椎體 具有非對稱的復雜外形, 組成的物質亦不均勻, 因此其生物力學特性難以分析。 對于脊柱腰 段的功能解剖學研究一直是解剖學、生物力學和臨床醫學的研究重點 34,但是迄今為止, 有關這方面的認識還遠不夠深入。 1975年, Liu 5首次報告了腰椎的三維有限元模型。 Hakim 和 King 6模擬了腰椎后部結構特別是小關節的作用, 進行了靜力學和動力學分析。 此后許多 學者相繼建立了腰椎段的二維或三維有限元模型, 并對腰椎活動節段在不同類載荷作用下的 應力進行了分析, 雖然在形態和力學性質上較貼近正常人體解

4、剖結構, 但仍具有一定的局限 性 7-10。對于人體脊柱的研究是各個學科繼續發展的需要,建立在解剖學水平上的精確三維模 型,是了解骨骼內應力分布情況,解釋骨骼重建,估計骨折危險和設計植入假體的關鍵。因 此能夠對人體骨骼進行精確的重建則是研究的基礎和關鍵。 目前對于人體骨骼的重建主要是 基于人體尸體骨的測量數據進行的,或者通過 CAD 進行。由于尸體與活體骨骼的干濕情況 不同, CAD 軟件曲面擬合的效果不同均會使重建的結果帶有一定的偏差,甚至不能進行后 續的計算。本文采用 CT 掃描圖像,結合專業的逆向工程軟件 MIMICS 11,進行脊柱腰椎段 的三維重建, 探討復雜三維結構有限元模型的建立

5、及有限元分析在脊柱生物力學研究中的應 用。2 材料與方法1本課題得到教育部博士學科點專項基金項目(20070022038的資助。2.1實驗對象與設備實驗對象:22歲正常健康男性志愿者,既往無腰部疼痛疾病史,無腰部外傷史, X 線 檢查腰椎未見畸形及退變。 圖 1 腰椎 X 線檢查圖像計算機硬件:Intel(R Core(TM2 Duo CPU 2.00GHz, 2G 內存, 120G 硬盤, 128M 獨立 顯卡, WindowsXP/Professional操作系統。應用軟件:醫學 3D 圖像處理軟件 Mimics10.0 (Materialise's Interactive Med

6、ical Image Control System, Belgium ,有限元分析軟件 ANSYS10.0(美國 ANSYS 公司 。2.2圖像掃描采用螺旋 CT (Philips Brilliance16對志愿者腰 1椎體上緣至腰 3椎體下緣沿橫斷面連 續掃描, CT 具有優良的高分辨率掃描功能,并有先進的圖像后處理功能和照相輸出功能, 實驗者取仰臥位,掃描條件:選擇骨組織窗,電壓 120KV ,層距 0.75mm ,共 186層,掃描 數據以 Dicom3.0標準直接存儲。圖 2為經過斷層掃描獲得腰椎段 CT 圖像,圖像中不同的 強度區域對應著不同的密度值。 圖 2腰椎段一斷層 CT 圖像

7、3 CT圖像的處理基于醫學圖像的數據處理建立有限元模型, 是一件繁瑣復雜的事情, 要耗費大量的時間 12。據統計,有限元模型的建立及前處理要占 CAE 分析流程 80%的時間 13。更加快速建 立更為精確的骨骼三維有限元模型是很有必要。采用 Mimics 直接讀取 186張 Dicom 格式 CT 斷層圖像,利用此軟件無需對圖像進行任 何形式的轉化,避免了信息的丟失,大大減少了工作量。經過圖像定位(圖 3右上角為水平 面,左上角為冠狀面,左下角為矢狀面,右下角為三維視窗 ,組織圖片 , 將 CT 掃描圖像輸 入到 Mimics 中。為了提取準確的椎骨的輪廓線,通過內插值處理,界定 “ 閾值 ”

8、 的范圍 212-3071Hounsfield 單位,使得骨骼部分與其他組織的區別最大化,軟件自動生成各層面骨 組織窗輪廓線(圖 4 ,對于局部灰度值相近的區域采用人工識別的方式進行提取,經過區 域增長對不同區域進行分割,每個區域對應不同的顏色,利用區域增長在所用 CT 斷層圖像 中分割出骨組織。 圖 3 CT掃描圖像定位圖 圖 4 各層面骨組織窗輪廓4 三維幾何模型的建立每層圖像經過邊緣分割、選擇性編輯及補洞處理,去除冗余數據,基于 3D 插補法,將 二維圖像轉化成 3D 模型,經 3D 計算建立脊柱腰椎段 L1-3椎骨的三維幾何模型(圖 5a 。 在進行 3D 計算是可以根據需要進行參數的

9、選擇。在 Mimics 的 FEA 模塊中對生成的三維實 體模型進行網格的重新劃分, 光滑處理, 殼與三角形減少分別用于消除小的內含物與減少網 格單元的數量, 提高三角形的質量, 進行三角形自交測試無相交的三角形和壞邊, 實現更精 確的椎骨的三維實體模型的重建(圖 5b 。 (a(b圖 5 經過光順、重新網格劃分前后的 L1-L3三維實體模型5 三維有限元模型建立在 Mimics 的 FEA 模塊存儲并輸出后綴名 .lis 的網格文件。在 ANSYS 中將面網格模型 轉化成體網格模型 , 成功建立 283756個四面體單元 (圖 6 實體網格, 選擇適當的單元類型, 在 FEA 模塊中導入 A

10、NSYS 得體網格模型,并在 FEA 模塊中根據 CT 掃描圖像對體網格賦 予材料屬性。 ANSYS 對于工業零件賦材質是比較高效的,因為工業零件的材質基本上都是 均質的。但是對于生物體,如骨組織,從外到內,各種材料的屬性都不一樣,而且界限也不 是使用 ANSYS 可以定義的。 但是對于 Mimics 這一問題很容易解決, 因為 Mimics 是根據灰 度值對骨組織賦材質的。不同的骨質的材料屬性不同,表現在 CT 圖像上就是灰度值不同, FEA 模塊正是根據這一特點根據 CT 掃描圖像對模型進行賦材質 (圖 7a 。 在 FEA 模塊中輸 出賦有材料屬性的體網格到 ANSYS 中, 經過附加材

11、料屬性的三維脊柱腰椎段有限元模型建 立完成, (圖 8b ,根據需要進行加載求解,進行后續研究。 圖 6 經過轉化前后的腰錐 L1-3三維模型 (a (b 圖 7 經過賦值后的脊柱腰椎 L1-3三維有限元模型 本文建立的數字化模型集合外形逼真, 具有極佳的視覺效果, 通過不同平面的切面可以 觀察各組件的內部結構關系, 能任意角度的旋轉及縮放觀察, 動態顯示, 該模型可進一步用 于 FEA (有限元分析研究。6 結論本文通過 CT 掃描獲得的 Dicom 格式的原始圖像在 Mimics 中進行預處理時無需進行任 何格式的轉換,避免了信息的丟失,且節約了大量時間,減少了工作量,利用 “ 閾值 ”

12、的界定 完成骨骼輪廓線的提取,實現了自動化,提高了建模速度與精度,在 Mimics 中生成的三維 實體模型經過面網格優化后可直接轉化為有限元分析軟件能夠識別的格式。本研究解決了材料特性非均勻、力學特性各向異性的骨組織的賦值的問題,利用 CT 圖 像不同灰度值對所建立的有限元模型不同的材料屬性進行賦值, 所建立的三維脊柱腰椎段有 限元模型真實地反映了人體骨骼的實際的材料特性, 更加真實、 可靠, 為后續研究的開展奠 定了堅實的基礎。本研究運用有限元方法建立的腰椎 L1-L3節段的三維有限元模型高度模擬腰椎結構與 材料的特性,具有結構完整,空間結構的測量準確度高,單元劃分精細,重點突出的特點。 本

13、模型可進行任意旋轉觀察,模型形態與腰椎的解剖形態具有滿意的相似性,可任意切割, 并可通過調整模型幾何及材料參數以模擬不同臨床與實驗狀態。 該數字模型能夠以不同的文 件格式輸出,以用于計算機輔助設計、快速成型、有限元分析等領域的研究。參考文獻1賈連順,現代腰椎外科學,上海遠東出版社, 1995年 10月第一版2劉雷等 . 胸腰椎脊柱損傷的生物力學及有限元分析 . 實用骨科雜志 , 2001,7(5:355-3563郭立新,陳威,劉學勇 . 基于有限元模型的人體損傷脊柱的動態特性分析 J.東北大學學報 .2006, 26(9 : 826-8394Seidel H, Bluthner R, Hinz

14、 B.Application of finite element models to predict forces acting on the lumbar spine during whole body vibrationJ.Clinical Biomechanics,2001,16:S57-S635Liu YK,etal.The resistance of the lumbar spine to direct shearJ,Orthop Clin North Am,1972;6:336Hakin NS & King KI.Finite element methods in spin

15、e researchJ,J Biomech,1979;12:2777Gupta S. Development and experimental validation of a three-dimensional finite element modelJ.Proc Inst Mech Eng,2004.218:127-1348SHIRAZI ADL. Biomechanics of lumbar spine in sagital/lateral momentsJ. Spine,1994,19:24079VOO LM, KUMARESAN S, YOGANANDAN N, et al. Fini

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18、Sport，Tianjin（300381） 3Beijing Forestry of University，Beijing（100083） Abstract The article reconstructed the three-dimensional geometrical model of lumbar based on CT images using reverse engineering software Mimics, the three-dimensional finite element model of L1-3 was established by smoothing, re

19、meshing and converting a surface mesh to a volumetric mesh in ANSYS software, subsequently the material properties can be displayed on the model through gray value in Mimics, which cant be completed to bony with asymmetry material characters. The three-dimensional finite element model simulated the structure and property of lumbar, whose structure is whole,