基于CT图像应用Mimics软件快速构建人体胸腰段骨骼有限元模型

将以各向同性分辨0.625mm薄层扫描所得的层厚0.65mm人体胸腰段连续断层210层Dicom格式CT图像,直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得胸腰段三维几何面网格模型,将其保存为后缀名.lis的Ansys文件,直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分,再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值,再次导入Ansys生成有限元模型.快捷建立了外形逼真、计算精确的人体胸腰段脊柱三维有限元模型.结果提示,应用精细CT扫描技术,图像Dicom标准,Mimics软件能直接与Ansys软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使胸腰段脊柱三维有限元模型的建立更加快捷、精确.     

胸腰椎压缩性骨折患者过伸复位过程中前纵韧带动态力学的有限元分析

依据1例T_(12)椎体单纯压缩性骨折患者的210层Dicom 3.0标准的CT图片建立T_(12)椎体单纯压缩性骨折的有限元模型,在对建立模型的有效性进行验证后模拟过伸复位手法,约束L_2下端所有面,给T_(11)椎体上端一个纵向牵引力,分别于T_(11),T_(12),L_1椎骨棘突顶点给予一个方向垂直朝向椎体、大小为3,0 cm的位移.程序运算,读取前纵韧带的受力情况.建立了几何外型逼真、生物力学特性全面的胸腰段椎体压缩性骨折三维有限元模型,复位手法作用后前纵韧带由松弛变紧张,在不同过伸支点前纵韧带的受力不同.结果提示,过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折疗效确切,前纵韧带在骨折复位中发挥重要作用.利用有限元分析法研究传统手法的作用机制具有实验结果可靠、显示结果直观、节约资源以及手法模拟精确等优点.     

股骨头坏死有限元模型的建立

背景:股骨头坏死有限元分析法已经被许多研究者应用,但作为分析的数字模型还存在几何以及物理相似性不够等不足.目的:借助股骨头坏死患者的CT扫描图片建立更加逼真的股骨头坏死有限元模型.方法:将以各向同性扫描所得的层厚0.625 mm股骨头坏死髋关节连续断层142层Dicom格式CT图像,直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得股骨头坏死三维几何面网格模型,将其保存为后缀名.lis的Ansys文件,直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分,再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值,再次导入Ansys 生成有限元模型.结果与结论:快捷建立了外形逼真、计算精确的股骨头坏死三维有限元模型.提示应用精细CT扫描技术,Mimics软件根据CT值直接赋值使股骨头坏死三维有限元模型的建立更加快捷、精确.     

股骨头坏死有限元模型的建立

背景：股骨头坏死有限元分析法已经被许多研究者应用,但作为分析的数字模型还存在几何以及物理相似性不够等不足。目的：借助股骨头坏死患者的CT扫描图片建立更加逼真的股骨头坏死有限元模型。方法：将以各向同性扫描所得的层厚0.625mm股骨头坏死髋关节连续断层142层Dicom格式CT图像,直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得股骨头坏死三维几何面网格模型,将其保存为后缀名.lis的Ansys文件,直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分,再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值,再次导入Ansys生成有限元模型。结果与结论：快捷建立了外形逼真、计算精确的股骨头坏死三维有限元模型。提示应用精细CT扫描技术,Mimics软件根据CT值直接赋值使股骨头坏死三维有限元模型的建立更加快捷、精确。     

应用CT断层图像快速构建人体骨骼有限元几何模型的方法

目的:寻求更为快捷、精确的基于CT断层图像重建人体骨骼结构有限元几何模型建立方法。方法:利用Philips/Brilliance64排螺旋CT各向同性分辨率0.625mm的薄层扫描技术,基于0.4mm层厚118层人体寰枢椎的连续断层图像,Mimics直接读入Dicom格式原始图像,界定骨组织阈值后软件自动提取各层面轮廓线,每层图像经边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得寰枢椎骨骼三维几何模型,面网格可保存为后缀名.lis的ANSYS文件,能直接导入Ansys有限元分析软件生成三维有限元模型。结果:建立了更为精确、快捷的寰枢椎骨骼三维有限元几何模型,面网格可直接导入Ansys有限元软件,进一步行模型求解。结论:薄层CT扫描技术,Dicom标准的应用使有限元模型的建立更为精确,Mimics软件直接建立人体骨骼结构的有限元几何模型,极大程度提高了建模效率。     

椎体后凸成形后相邻椎体生物力学的有限元分析

背景:椎体后凸成形后相邻椎体新发骨折的发生率为2.4%-23%,并且6个月内2/3骨折发生于邻近椎体,其原因是骨质疏松的发展,还是骨水泥强化的结果,目前存有争论.目的:应用脊柱有限元分析方法分析生理载荷作用下,椎体后凸成形后相邻椎体终板的应力变化与相邻椎体新发骨折的相关性.方法:收集老年骨质疏松女性胸腰椎CT扫描资料,利用一系列计算机辅助设计软件构造相对应的T_(12)-L_1-L_2骨质疏松性椎体的三维有限元模型.模拟L_1椎体为楔形压缩骨折椎体(前缘高度较正常降低60%),模拟经皮椎体后凸成形模型,复位骨折椎体(L_1椎体高度较正常降低10%,代表骨折椎体复位),在L_1椎体内置入2个对称的圆柱体PMMA骨水泥块共约4 mL.分析轴向压缩、前屈和后伸3种加载状态下正常椎体、手术前后相邻椎体的应力变化情况.结果与结论:与正常椎体比较,L_1压缩性骨折模型和椎体后凸成形后模型相邻椎体终板最大应力值分别增高76%和27%;椎体后凸成形模型后部结构的应力水平较正常椎体平均增加13.2%,其中椎弓根增加4.5%,峡部增加6.15%和关节点增加25.6%.与L_1椎体压缩性骨折模型相比,L_1椎体后凸成形后椎弓根、峡部和关节突应力均有所降低.结果说明椎体后凸成形后,T_(12)椎体下位终板和L_2椎体上位终板的应力值在各种状态下均较正常椎体增加,应力增加可能导致终板骨折可能性增加,进而导致相邻椎体骨折的风险性增加,这一观点尚需进一步研究的支持.     

伤椎椎弓根置钉治疗胸腰椎压缩性骨折的三维有限元分析

背景:有文献报道伤椎置钉技术较传统4钉跨阶段固定具有更强的牢固性,可有效避免内固定的松动断裂,但其生物力学机制研究尚显不足。目的:构建脊柱胸腰椎单纯压缩性骨折的三维有限元模型,探讨伤椎附加椎弓根螺钉置入治疗胸腰椎压缩性骨折的生物力学效应。方法:将一T12椎体压缩性骨折患者脊柱胸腰段超薄CT扫描数据输入Mimics软件中,构建T12椎体压缩性骨折的有限元模型,在此模型基础上模拟伤椎置6钉和跨节段4钉内固定,对两个模型分别施加垂直压缩、前屈、后伸、左屈及右旋载荷。结果与结论:两组固定模式各种载荷下的应力均集中在螺钉根部,在垂直载荷下,螺钉的应力最小,右旋和左屈载荷下的应力最大;在垂直压缩、前屈、后伸、左侧弯及右旋运动下,上位螺钉较下位螺钉应力大(P<0.05)。伤椎置6钉固定组螺钉应力较跨节段4钉固定组小(P<0.05)。两组T11椎体最大位移无差别。表明伤椎附加椎弓根螺钉置入可以优化内固定的载荷,减少断钉率。     

伤椎椎弓根置钉治疗胸腰椎压缩性骨折的三维有限元分析

背景：有文献报道伤椎置钉技术较传统4钉跨阶段固定具有更强的牢固性,可有效避免内固定的松动断裂,但其生物力学机制研究尚显不足。目的：构建脊柱胸腰椎单纯压缩性骨折的三维有限元模型,探讨伤椎附加椎弓根螺钉置入治疗胸腰椎压缩性骨折的生物力学效应。方法：将一T12椎体压缩性骨折患者脊柱胸腰段超薄CT扫描数据输入Mimics软件中,构建T12椎体压缩性骨折的有限元模型,在此模型基础上模拟伤椎置6钉和跨节段4钉内固定,对两个模型分别施加垂直压缩、前屈、后伸、左屈及右旋载荷。结果与结论：两组固定模式各种载荷下的应力均集中在螺钉根部,在垂直载荷下,螺钉的应力最小,右旋和左屈载荷下的应力最大;在垂直压缩、前屈、后伸、左侧弯及右旋运动下,上位螺钉较下位螺钉应力大（P〈0.05）。伤椎置6钉固定组螺钉应力较跨节段4钉固定组小（P〈0.05）。两组T11椎体最大位移无差别。表明伤椎附加椎弓根螺钉置入可以优化内固定的载荷,减少断钉率。     

胸腰段脊柱有限元模型的建立及其生物力学分析

目的 通过建立贴近实际的胸腰段椎体三维有限元模型并对其进行生物力学分析,为进一步研究其损伤机制及评价不同治疗方法的效果提供方便.方法 将一名健康成年男性的胸腰段椎体CT图像以DICOM格式输出并保存,导入医学三维重建软件MIMICS10.01中进行处理,产生三维实体,并确定单元类型,赋予材料属性后进行网格划分,然后将实体模型导入ANSYS12.0有限元软件中生成胸腰椎三维有限元模型,验证模型有效性后,分析其在准静态条件下的应力分布规律.结果 建立了T12～L2的三维有限元模型,共包括52 502个节点和247 082个单元.本模型几何相似性好,与其他体外实验及动态冲击试验所得结果基本一致.结论 所建立的T12～ L2有限元模型,能够真实模拟实际情况,并能够进行生物力学分析,为下一步研究奠定基础.     

基于CT数据构建人体腰骶椎的有限元模型

背景:目前有限元模型的方法主要是基于医学图像的建模方法,可直接反映人体腰椎真实的几何形态。目的:以CT影像数据为基础,利用图像处理软件建立L1～S5节段的腰骶椎三维有限元模型。方法:选取1名男性健康志愿者,采用各向同性分辨率0.625mm薄层CT扫描数据,以Dicom格式导入Mimics 10.0软件,三维化处理后获得腰骶段三维几何面网格模型,通过Geomagic studio 12.0软件曲面化、Hyper Mesh 10.0软件网格划分,最终导入Abaqus 10.1软件生成腰骶椎三维有限元模型。结果与结论:建立了精确的人体腰骶椎三维有限元模型并验证有效。应用精细的影像学数据,通过软件进行图像处理,快捷有效完成了脊柱模型的构建。此完整的多节段模型可方便考察临床疾病和外科固定对脊柱整体的影响,弥补了目前单个运动节段模型的缺陷。     

单节段融合双节段置入物固定B型胸腰椎爆裂性骨折的生物力学研究

背景:胸腰椎爆裂骨折Dennis分型B型伤椎下位椎间盘尤明显M1jJWOW合节段,(伤椎与上位椎体)手术方式已有人提出,但由于伤椎本身的损伤,切除部分椎体后置入固定螺钉容易松动,甚至无法固定.而将固定螺钉置入伤椎下位椎体通过单节段融合双节段固定来稳定脊柱是否完全可行尚无定论.目的:从生物力学角度观察单节段融合双节段置入物固定B型胸腰椎爆裂骨折的可行性.设计、时间及地点:随机分组设计,体外对比观察,于2007-06/2008-06在南方医科大学生物力学实验室完成.材料:取7-9月龄新鲜冰冻家猪胸腰椎标本20具,其中10具为完整标本,10具为通过预损伤逐级撞击法制备的L1爆裂性骨折日型标本.方法:收集新鲜猪下,3-L3节段胸腰椎标本,建立胸腰椎爆裂性骨折B型模型.实验分为4组,完整标本组(n=10):新鲜猪T13-L3节段标本;失稳组(n=10):采用预损伤逐级撞击法制备的L,爆裂性骨折B型标本;切除椎间盘内固定组(n=10)稳组经生物力学检测后,切除伤椎上位椎间盘连同椎体上1/2,取骼骨植骨,使用山东威高骨科材料有限公司U-FRONT胸腰椎前路双棒系统侧前方固定T14-L2 椎体.切除两椎间盘内固定组(n=10):将切除一椎间盘内固定组检测后切除伤椎及下位椎间盘,骼骨植骨,用威高U-FRONT系统前侧方固定T14-L2椎体.植骨块长度比植骨区长1 mm.主要观察指标:在三维运动试验机上检测并记录加载力矩为10 N·m时各组T14-L2节段前屈、后伸、左右侧弯、轴向旋转的三维运动范围.结果:失稳组在伸屈、左右侧弯、轴向旋转方面表现出明显不稳,运动范围与完整标本组相比均明显增大(P＜0.01).切除一椎间盘内固定组及切除两椎间盘内固定组初始稳定性则有明显提高,伸屈、左右侧弯、轴向旋转运动范围与抶稳组相比亦明显减小(P＜0.05);两组标本伸屈、左右侧弯的运动范围与完整标本相比均明显减小,而轴向旋转运动范围明显增加(P＞0.05).切除一椎间盘内固定组轴向旋转小于节除两椎间盘内固定组(P＜0.05).结论:单节段融合双节段固定治疗胸腰椎爆裂骨折B型,在前屈、左右侧弯方向均有良好的初始稳定性,左右旋转初始稳定性较的切除两椎间盘伤椎次全切植骨内明显提高.     

过伸复位治疗胸腰椎单纯压缩性骨折的有限元分析

背景:过伸复位被中医骨伤科临床广泛用于治疗胸腰椎单纯压缩性骨折,其生物力学机制研究尚显不足。目的:应用有限元分析方法探讨了复位过程中各结构的力学特性以及整体的应力特点。方法:依据1例T12椎体单纯压缩性骨折患者的210层Dicom3.0标准的CT图片建立T12椎体单纯压缩性骨折的有限元模型,在对建立的模型的有效性进行验证后模拟过伸复位手法,约束L2下端所有面,给T11椎体上端一个纵向牵引力,分别于T11,T12,L1椎骨棘突顶点给予一个方向垂直朝向椎体、大小为3.0cm的位移。程序运算后读取压缩椎骨外形改变和应力分布。结果与结论:建立了几何外型逼真、生物力学特性全面的胸腰段椎体压缩性骨折三维有限元模型,复位手法作用后压缩的椎骨表现出明显的过伸,在复位过程中表现的复位机制与传统的生物力学实验相同。利用有限元分析法研究传统手法的作用机制具有实验结果可靠、显示结果直观、节约资源以及手法模拟精确等优点,可广泛应用于骨折手法复位机制的研究。     

有限元分析过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折的椎间盘动态力学

背景：过伸复位法治疗胸腰椎压缩性骨折具有治疗效果好、费用低、损伤轻、疗效快等优点,但临床应用缺乏规范,对手法的作用机制研究相对不足。目的：利用有限元分析法观察过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折椎间盘的动态生物力学特性。方法：依据1例T12椎体单纯压缩性骨折患者的210层Dicom3.0标准的CT图片建立T12椎体单纯压缩性骨折的有限元模型,在对模型有效性进行验证后,模拟过伸复位手法,约束L2下端所有面,给T11椎体上端一个纵向牵引力,分别于T11,T12,L1椎骨棘突顶点给予一个方向垂直朝向椎体、大小为3.0cm的位移。程序运算,读取受压椎骨上下椎间盘的受力情况。结果与结论：建立了几何外型逼真、生物力学特性全面的胸腰段椎体压缩性骨折三维有限元模型。复位手法作用后椎间盘发生明显的牵张,在不同过伸支点椎间盘的受力不同。提示过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折疗效确切,椎间盘在骨折复位中发挥重要作用,利用有限元法分析传统手法的作用机制具有实验结果可靠、显示结果直观、节约资源以及手法模拟精确等优点。     

采用体绘制方法建立人股骨三维有限元模型及其应力分析

背景：目前股骨三维有限元研究建模方法有多种,而采用体绘制分体建模方法还未曾报道过。目的：采用体绘制方法建立股骨三维有限元实体模型,对所建实体模型模拟力学载荷得出股骨应力分布,并与既往股骨力学实验比较,评估体绘制方法的可行性。方法：将CT扫描图像去噪等预处理后,采用体绘制技术,利用Mimics和Ansys软件建立人股骨有限元模型,并在Mimics软件中赋予股骨材质,并模拟人体正常站立位时股骨载荷情况。结果与结论：采用体绘制方法建立的人股骨三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨及髓腔解剖结构,网格化后共生成63900个节点,43552个实体单元;模拟载荷显示股骨压应力区域主要集中在股骨内侧、尤其是股骨距部位,张应力主要集中于股骨颈外侧、股骨干外侧。表明体绘制方法可以建立高仿真、接近股骨解剖结构股骨三维有限元模型实体模型,可以探索股骨的内部结构,展现其内部细节,模拟股骨生物力学分布。     

建立带桩嵌体修复下颌第一磨牙残冠的三维有限元模型

背景磨牙残冠修复时通常情况下残留的牙体较少,且修复后在各种受力情况下牙齿的应力分布能够直接影响修修复后效果,有限元法逐渐被应用到义齿的应力分析中.目的建立带桩嵌体修复下颌第一磨牙残冠的三维有限元模型,为提高复杂牙齿的建模水平及分析修复方式的应力分布特点提供实验数据.设计重复观察测量.单位中山大学附属第一医院口腔科与放射科,华南理工大学交通学院固体力学系,光华口腔医学院修复科.材料实验于2003-11/2004-12在华南理工大学交通学院应用力学系完成.选取离体的形态正常的人右下颌第一磨牙6颗,东芝Xpress/SX螺旋CT机,图像合成软件和有限元分析软件ANSYS.方法从6颗离体的形态正常的人右下颌第一磨牙中,选取密合度最好且形态接近临床要求的1颗进行根管治疗,制作制锁式的带桩嵌体修复体.利用螺旋CT分别对修复前牙体、修复后戴入主根管的带桩嵌体的残冠、戴入二带桩制锁式嵌体的残冠进行断层扫描.通过图像合成软件建立残缺牙体、金属部分的三维数字模型,二者黏结形成修复后的整个牙体模型.为了更好的模拟天然牙在实际中的边界条件,将牙槽骨考虑在内.利用ANSYS软件中的Mesh命令,直接对模型进行智能网格划分.主要观察指标修复前剩余牙体、修复后带桩嵌体、修复后的牙槽骨和牙体的三维有限元模型的建立与网格划分结果.结果通过计算机建立了修复前剩余牙体、修复后带桩嵌体、牙槽骨和牙体的三维有限元模型,并进行网格自动划分,共有117 720个单元,20 988个节点,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性.结论螺旋CT断层扫描技术与三维有限元法相结合,可以建立复杂的牙模型,且能真实地模拟实际情况,使用性好.     

兔胫骨骨折的有限元模型

背景：医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据,大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。目的：建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。方法：选取雄性1年龄新西兰大白兔1只,开放锯断左侧胫骨中段,MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张,经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型,导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格,在MIMICS10.01中赋材质。结果与结论：建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型,经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型,为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。     

计算机模拟椎体成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景：椎体成形后邻近椎体再骨折的原因,是骨质疏松的发展过程,或是骨水泥增强、椎体成形干预造成的？目的：用有限元方法观察椎体成形对相邻椎体的力学影响,分析相邻椎体继发骨折的病因。方法：利用MIMICS软件,对1例T12骨质疏松性椎体压缩骨折患者CT图片进行预处理后导入ABAQUS软件中建立T10～ L2三维有限元模型,模拟经椎弓根单侧和双侧入路椎体成形,设置0.3,1.0,4.0MPa3种轴向载荷进行生物力学分析。结果与结论：成功建立了椎体成形前后的三维有限元模型。当轴向压力以0.3,1.0,4.0MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加。椎体成形后增强椎体（T12）上、下终板骨水泥注入侧的应力增强区域范围减少,所受最大应力明显减少;邻近椎间盘及椎体的应力分布无明显变化;T12相邻椎体（T11、L1）及远端椎体（T10、L2）所受最大应力无明显改变。提示椎体成形后引起上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和生物力学结果改变无关。