基于CT及逆向工程软件构建正常人体骨盆三维有限元模型

背景:骨盆是人体骨骼中形态及结构最复杂的部分,许多学者一直致力于其生物力学的研究。由于骨盆形状极其不规则,所附着肌肉及韧带解剖结构复杂,建立精确的包含主要肌肉及人韧带的骨盆有限元模型十分困难。目的:建立正常成年人骨盆的三维有限元模型,为后续骨盆的生物力学分析提供数字模型。方法:采集健康成年男性志愿者的骨盆CT数据,将DICOM格式的CT图像导入医学影像三维重建软件Mimics10.0进行图像的分割及三维重建,将导出文件导入逆向工程软件Geomagic studio 11中对图像进行曲面化处理,建立曲面模型,使其更加光顺,将生成的曲面模型导入有限元分析软件Ansys 14.0中进行有限元网格划分。结果与结论:建立了正常成年人骨盆的三维有限元模型,总单元数为818 294个,总节点数为149 290个。课题基于健康成年男性志愿者的骨盆CT图像建立骨盆有限元模型,所得的模型精确度高、逼真、具有良好的解剖及几何相似性,可为下一步骨盆的生物力学分析提供基础。     

3D膝关节模型的构建

背景:三维图像重建是开展膝关节虚拟研究的基础。关节周围韧带、软骨、半月板等结构分割重建报道较少。目的:在前期大量膝关节标本解剖研究的基础上,利用CT及MRI数据,三维重建包括关节周围韧带、软骨、半月板等结构在内的膝关节模型。方法:采用1例人体成年膝关节标本CT、MRI薄层扫描数据,导入Mimics 10.01分别三维重建膝关节骨、软骨、韧带及半月板等结构,利用逆向工程软件Geomagic 8进行及图像配准处理。结果与结论:三维重建了包括关节周围韧带、软骨、半月板等结构在内的膝关节模型,为建立相应膝关节有限元模型奠定了基础。     

膝关节关节软骨的三维构建

目的:构建膝关节关节软骨的三维模型,为开展膝关节数字医学研究进行模型构建的探索。方法:人体成年新鲜膝关节标本1例,行CT、MRI扫描,利用三维重建软件Mimics及逆向工程软件Geomagic对图像进行三维重建及图像配准,构建膝关节骨、关节软骨结构。结果:利用Mimics 10.01软件构建关节软骨的三维模型,并形成骨-关节软骨复合模型,导入Geomagic软件中与CT构建的骨三维模型相配准,再次导入CT影像中进行逐层微修饰,验证关节软骨分割效果。最终建立具有骨、关节软骨的三维膝关节模型。结论:三维图像重建技术与图像配准技术可将CT、MRI图像两者结合起来,发挥其各自优势,构建出形态较好的膝关节三维模型。     

儿童股骨颈前倾角的数字化三维重建与解剖测量

目的探讨发育性髋关节脱位患儿股骨颈前倾角的数字化测量方法,为股骨近端截骨手术提供解剖学依据。方法收集单侧发育性髋关节脱位儿20例,其中男10例,女10例,应用Mimics15.0软件,利用数字化三维重建技术重建股骨,标定相关解剖标志测量患侧及健侧股骨颈前倾角,并与在断层CT上测量的股骨颈前倾角相比较。结果重建的股骨数字化虚拟可视模型能够从多角度、多平面进行观察及测量,二维CT测量健侧和患侧股骨颈前倾角分别为(25.54±7.17)°和(42.98±10.36)°,数字化三维重建测量健侧和患侧股骨颈前倾角分别为(24.29±3.46)°和(40.36±5.42)°。数字化三维重建股骨颈前倾角与二维CT测量的数值差异有统计学意义(P0.05)。结论基于三维CT扫描的股骨数字化三维重建图像具有良好的形态和清晰的边界,可精确识别出股骨前倾角的解剖数据,为完成个体化的股骨截骨术提供了新的方法。     

基于薄层CT数据的胫骨近端接骨板标准件库的建立及意义

目的　探讨胫骨近端接骨板标准件库建立的方法及临床意义。 方法　采集6套全规格胫骨近端接骨板薄层CT扫描的原始数据,导入Mimics14.0中进行三维重建,以STL格式文件输出至Geomagic对三维模型进行形态学优化。在Mimics中进行体积恢复。利用MedCAD绘制圆柱体状钉道模拟现实锁定钉方向,并完成带钉接骨板形态学标准件库建立。 结果　 (1) 完成186块带钉的接骨板标准件的建立;(2) 经Geomagic外观优化以及Mimics体积恢复,使接骨板三维模型具有较高仿真度。 结论　(1) 基于CT扫描的数据,通过逆向工程软件处理可以实现骨科接骨板的标准件库制备; (2) 接骨板与钉道选择性的组合方式适用于骨折内固定植入手术的数字化设计。     

Mimics和Geomagic辅助下建立固定义齿的有限元模型

目的建立固定义齿的三维有限元模型,为后续的牙周组织的生物力学分析提供数字模型。方法利用Mimics医学影像三维重建软件和Geomagic studio逆向工程软件对CT图像进行处理,并运用UG NX进行实体建模及有限元网格划分。结果建立了包含牙槽骨、基牙、牙周膜、固定义齿的三维有限元模型。结论直接运用牙齿原始数据建模,一定程度上可以避免数据丢失,减少模型失真,所得模型具有较好的几何相似性。     

基于虚拟现实的人体颌面三维重建

目的实现基于虚拟现实的人体颌面部的三维重建。方法对1例25岁女性志愿者的颌面部进行64层螺旋CT扫描,获得颌面部二维图像,通过Mimics软件直接导入医学数字成像和通信(DICOM)格式CT数据,利用逆向工程软件Mimics对数据进行分割、处理,并完成三维重建,在此基础上进行基于虚拟现实建模语言(VRML)的颌面三维重建。结果成功构建了基于虚拟现实的人体颌面部模型,可用于虚拟仿真教学等。结论基于虚拟现实技术的颌面三维重建为临床医生进行诊断和治疗提供了精确的模型,同时可以有效地推动解剖教学。     

髋关节表面置换术中可视化虚拟技术建立股骨头假体植柄通道的模拟研究

目的：通过计算机辅助对股骨头假体植柄通道的模拟研究,为人工全髋关节表面置换术股骨头假体植入方案提供更为科学的评估方法和预测手段。方法：选择无明显髋关节疾病的15具成人尸体标本,对整个骨盆进行连续CT扫描,将CT原始数据导入Mimics 10．1软件,重建出股骨近端三维模型。通过计算股骨头中心和股骨近端中心线,建立股骨颈轴线并确定股骨头假体最佳植柄通道,进行虚拟植入和三维可视化分析。结果：各维度观察股骨头假体植柄通道通过股骨头中心,位于股骨颈的中央。股骨头定位针模拟植入后假体柄干角与术前颈干角相比呈轻度外翻位,侧方偏移和水平偏移度较小,达到预期植柄方位的要求。结论：计算机辅助可以准确建立股骨头假体植柄通道并进行可视化分析,为个体化髋关节表面置换术提供了科学的评估方法和预测手段。     

成年人双侧膝关节形态学相似程度分析

目的通过比较双侧膝关节的形态学参数,评估利用镜像法逆向重建膝关节假体的有效性。方法以健侧为模板提取参数,基于逆向工程思路重建膝关节假体。实验共收集双侧CT分析区域数据正常的胫骨18例、股骨69例,进行三维重建,利用Geomagic Control 2015进行配准,分别计算双侧膝关节的胫骨、股骨的偏差体积和面积及软件处理偏差,分析双侧膝关节的形态学差异,验证镜像法结合逆向工程技术设计个性化假体的可行性。结果偏差分析结果显示,超过85%区域差异小于1 mm,双侧膝关节存在高度的相似性。用Geomagic进行曲面优化前后股骨表面积无显著差异(P=0.197),胫骨表面积也无统计学差异(P=0.798)。股骨相似程度为(0.3427±0.9956)mm,胫骨的相似程度为(0.4165±1.0714)mm。结论双侧股骨远端及胫骨近端的关节面区域存在较高的相似性,可以利用健侧的股骨关节面原位逆向建模数据拟合的方法设计个性化假体。     

中下胸椎肋椎单元三维有限元模型的建立☆

背景：建立中下胸椎肋椎单元有限元模型对进一步的力学分析意义重大。 目的：通过CT扫描结合逆向工程软件建立中下胸椎肋椎单元三维有限元模型。 方法：选择内蒙古医学院附属第二医院影像科无脊柱疾患和骨质疏松标本1例,利用医学图像处理软件Mimics实现直接从CT图像中提取数据,再利用逆向工程技术平台Geomagic,在可视化的界面下对模型进行修改,建立人完整中下胸椎肋椎单元、椎间盘的有限元模型。 结果与结论：利用Mimics,Geomagic等逆向工程软件,结合CT扫描技术对人中下胸椎肋椎单元进行了三维重建,精确再现了中下胸椎肋椎单元外形解剖特征,实现了对椎体组织内部不同结构的精细区分,中下胸椎肋椎单元共具有132 649个四面体单元。提示此方法可以提高建模的效率和可操作性,能够成功建立符合实验要求的有限元模型。      

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 0.625 mm 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、HyperMesh 10.0软件网格划分,最终导入Abaqus10.1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。     

骨质疏松影响股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折的有限元仿真

文题释义：骨质疏松：是骨量减少导致骨微结构破坏、进而易发生骨折的全身性疾病,它不仅是导致髋部骨折的重要原因之一,也是导致股骨近端防旋髓内钉内固定失效的重要原因之一。 股骨转子间骨折：在老年人中较为常见,现主要是手术治疗,股骨近端防旋髓内钉被广泛应用于临床。股骨转子间骨折内固定术后失效时有发生,其原因可能与骨质疏松、骨折类型、尖顶距值、复位质量等密切相关。 背景：股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折在临床应用广泛,但仍有部分术后内固定失效病例,股骨近端骨质疏松被认为是一个重要原因。Singh指数是评价股骨近端骨质疏松严重程度的一个重要指标,基于Singh指数探讨不同骨质疏松程度对股骨近端防旋髓内钉治疗转子间骨折疗效的影响,对减少内固定失效概率,增加手术成功率具有重要意义。 目的：探讨不同骨质疏松程度对股骨近端防旋髓内钉治疗转子间骨折疗效的影响,为临床治疗转子间骨折提供新思路和实验基础。 方法：选取1例左侧股骨转子间骨折患者的CT资料,导入Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件中进行提取、优化得到右侧股骨三维模型。运用Solidworks 2017软件画出内固定模型并与股骨模型按照标准手术技术装配,以STEP格式导入Hypermesh 14.0软件中截骨得到AO 2.1型股骨转子间骨折模型,参照Singh指数1-6划分应力骨小梁得到A-F模型,设置材料属性参数、边界条件、施加载荷,分别储存为K文件导入LS-DYNA软件求解。 结果与结论：①当股骨头受力时,Singh 6-Singh 1股骨头颈骨块中螺旋刀片产生切割,普通骨小梁消失,包裹螺旋刀片的应力骨小梁不但没有消失,且承载和分散了部分应力,使得螺旋刀片仍具有较大的接触面积和把持力,维持着骨折的复位,减少了股骨头颈骨块的内翻和旋转;②从Singh 6-Singh 1,随着应力骨小梁的消失,骨质疏松越严重,股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折就越容易失效;③股骨近端海绵状的丰厚骨小梁,特别是应力骨小梁,通过抵抗、缓冲弯曲应变而在维持股骨的弹性稳定起着重要作用,是股骨近端弹性稳定的重要结构。 ORCID: 0000-0002-4097-2790(黄培镇) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

睡姿和枕高对颈椎应力影响的三维有限元分析

背景：目前睡姿和枕高的研究主要集中在临床方面,多采用统计调查、测量及影像学相结合的方法。但采用三维有限元法分析睡姿和枕高对颈椎应力影响的研究至今鲜见报道。 目的：采用数学仿真的方法探讨睡姿及枕高对颈椎应力的影响。 方法：以正常人体头颈CT图像为原始数据,依次经过Mimics 10.0、Geomagic Studio 11.0及Hypermesh 10.0软件建立全颈椎的三维有限元模型,利用Abaqus 6.10软件仿真分析仰卧状态与侧卧状态不同枕高下颈椎的应力特性。 结果与结论：睡姿和枕高对颈椎应力均有影响。枕高相同时,仰卧位椎间盘应力的最大值大于侧卧位。同样睡姿下,颈椎椎体及椎间盘的应力值均随枕高的增加而增大。从颈椎应力的生物力学角度看,侧卧比仰卧更有利于颈椎的健康,且仰卧位枕高应低于侧卧位。     

腰椎峡部裂机翼型记忆合金固定装置的有限元分析

目的　以正常人体CT影像数据为基础,建立腰椎峡部裂弹性固定有限元模型,分析内固定器受力并对其进行改进。 方法 采用分辨率0.625 mm薄层CT扫描数据,导入 Mimics10.0软件建立三维几何面网格模型,通过Geomagic studio12.0、HyperMesh 10.0前处理,最终导入Abaqus10.1软件生成腰椎峡部裂记忆合金固定模型,并在椎体上表面施加500N压力和7.5 Nm力矩,模拟前屈、后伸、侧屈和旋转四种生理载荷,观察并比较不同载荷下固定装置的应力分布。 结果　机翼型记忆合金固定装置应力集中于侧翼,尤其是侧翼和底座的接合部位,后伸和旋转时最大,容易导致疲劳性断裂。 结论　提高镍钛合金材料质量和工艺水准,术后延长腰围保护时间,以避免机翼型记忆合金固定装置断裂的风险。     

掌指关节的三维解剖及形态分析

目的：观测掌指关节关节面的几何形态,为人工关节的设计和应用提供解剖学依据。方法：10只成人手标本,解剖掌指关节,测量侧副韧带起点距掌骨头关节面的直线距离,三维数据检测仪获得关节面三维坐标数据,应用SPSS软件进行统计分析和成像。结果：掌骨头有双髁结构,桡侧髁略大,第1掌骨头形态特殊;各掌骨头高度的比较无显著差异;其掌侧关节面大于背侧,第2、3掌骨头关节面面积明显较大。近节指骨底在形态、高度和面积方面各序列相似;各序列侧副韧带起点桡侧较尺侧距离掌骨头关节面远。结论：手指人工关节的设计应符合解剖形态,并根据各序列形态的差异进行个体化设计,尤其拇指更应区别对待;手指人工关节的设计和应用中应注意软组织保护,关节的切除范围应注意保留侧副韧带的起止点。     

Biometry of the radial head: biomechanical implications in pronation and supination

The aim of this study was to perform biometry of the proximal extremity of the radius and to characterize the shape of the radial head. Knowledge of the size and shape of the radial head is necessary for the creation of a radial head prosthesis that is anatomically and biomechanically correct. Twenty-seven measurements, focused on the proximal extremity, were done on 96 radii. The shape of the radial head was determined by the difference between the maximum diameter and the minimum diameter. We considered the shape to be circular when the difference was less than 1 mm, and elliptical when the difference was greater than 1 mm. The shape of the radial head was compared with the neck/diaphysis angle. Fifty-seven percent of radial heads were elliptical and 43% were circular. When the head was elliptical the maximum diameter was 22 mm +/-2.9 and the minimum diameter was 20 mm +/-2.8 ( P<0.001). When the head was circular the maximum diameter was 21.2 mm +/-2.4 and the minimum diameter was 20.4 mm +/-2.4 ( P<0.14). The angle between the neck and the diaphysis varied with regard to the shape of the radial head. It was 166.75 degrees +/-3 for the circular heads and 168.62 degrees +/-3.2 for the elliptical heads ( P<0.01). The biomechanics of the circular shape and the elliptical shape are different, involving an adaptation of the angle between the neck and the radial diaphysis. This difference must be taken in consideration in the design of a radial head prosthesis.     

一种新型人工颞下颌关节的生物力学分析

目的　建立下颌骨髁突缺损有限元模型,研究新型人工颞下颌关节的应力分布及位移改变。 方法　运用Mimics、Geomagic、Solidworks、ANSYS软件建立含完整牙列的下颌骨右侧髁突缺损有限元模型并分析新型人工颞下颌关节在模拟咬合力加载的情况下假体及下颌骨硬组织的应力分布和位移情况。 结果　下颌骨整体等效应力值均低于20 MPa,最大形变值不超过0.05 mm。 结论　新型人工颞下颌关节能避免过大应力导致的假体断裂和骨质吸收,具有良好的生物力学特性。