构建基于正常人心脏解剖及影像数据的动态心脏模型

目的　构建基于正常心脏数据的三维动态心脏模型。 方法　采集正常成人心脏数据,通过Microsoft Visual C++和3DMax软件重建生成心脏三维模型,并将正常心电图与之整合,同步显示心脏运动。 结果　建立了数字化心脏可视动态模型,能够反映心脏三维形状和内腔结构,并可与心电图同步运动。 结论　动态心脏模型能够为心脏结构与运动的教学及疾病分析提供可视化的数值仿真平台。     

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。     

真实心脏模型上兴奋时序图仿真数据的可视化

L FX虚拟心脏模型采用具有真实几何形状的三维心脏、躯体模型进行仿真研究 ,但在仿真输出结果上基本上以二维的形式给出。针对这一问题 ,提出了一种体元映射算法 ,将 L FX虚拟心脏模型的关键仿真数据之一兴奋时序图 (EIM)从真实几何形状的心脏模型映射到真实人体心脏模型 ,并在 4 DView三维医学图像实时可视化平台上对映射前后的 EIM仿真数据进行了三维可视化 ,从而将 L FX虚拟心脏模型的 EIM仿真数据的输出从二维拓展到了四维、从真实几何形状的心脏模型拓展到了真实人体的心脏模型。映射前后 EIM仿真数据的可视化结果表明 L FX虚拟心脏模型具有了更为直观有效的仿真特性 ,更为接近真实的人体心脏     

足部有限元模型的构建与验证

背景：目前国内所建的足部模型大部分是采用自动划分网格的四面体有限元模型,虽然四面体网格自动剖分技术给三维实体的有限元网格自动剖分带来了极大的方便,但力学性能较差。 目的：基于CT图片构建六面体网格足部有限元模型。 方法：选取中国正常男性人体足部的CT数据,利用Mimics软件对足部几何模型进行重构,运用NURBS 曲面的节点插入算法,对足部几何模型进行了细化,构建了具有较高生物仿真度的人体足部有限元模型,利用Pam-crash软件对模型进行了碰撞仿真分析。 结果与结论：仿真结果与尸体实验结果基本一致,证明模型可信。实验基于CT图片构建的六面体网格足部有限元模型,添加了足底肌肉、肌腱、皮肤等结构,更真实的反映了足部解剖学结构特征,进而提高了有限元模型的质量,更能有效地研究足部损伤机制,从而为提高汽车安全性设计提供参考依据。     

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0.625 mm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。     

人体左心室三维有限元模型构建及流-固耦合动力学分析

有限元分析是研究心血管动力学问题的重要手段。本文基于中国数字人体心脏断层解剖图像,采用Visu-al C++可视化工具包对心脏外形及内腔结构进行三维重建,进一步基于结构模型构建了左心室、血液耦合有限元模型。在通用有限元分析软件ANSYS环境下使用双向流-固耦合方法对心脏灌注期心室壁受力与血液流动过程进行了动力学仿真。仿真结果成功实现了对心脏灌注期心室两阶段充盈过程中室壁应力与血液流体动态特性的定量分析。本研究提供了一种基于二维医学图像信息构建心室有限元模型,并进行心室血液流体力学模拟的新方法,为心脏生理及病理过程的定量有限元分析提供了一套可行的技术方案。     

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。     

表面髋关节置换三维有限元模型的建立及意义

背景:目前髋关节的三维有限元模型大都是基于人体尸骨数据或通过CAD重建获得的,其效果不够理想。目的:通过64排螺旋CT扫描提供数据,建立表面髋关节置换的三维有限元模型,拟为生物力学实验提供标准数学模型。方法:选择1名行表面髋关节置换后的成年男性志愿者,经X射线检查排除健侧髋关节疾患。螺旋CT扫描表面髋关节置换后患者所得数据导入Mimics软件。采用域值法建立三维立体模型,之后导入Abaqus软件,进行网格划分。建立起表面髋关节置换术后的三维有限元模型。结果与结论:建立了表面髋关节置换术后三维几何和有限元模型。表面髋关节置换模型分为三维六面体单元165886个,节点213343个。可见,通过Mimics软件、Abaqus软件可以利用表面髋关节置换术后患者薄层断面图像构建出其三维几何模型与三维有限元模型。该模型具有较高的形态学及力学仿真度。     

建立反映心脏内部各腔室结构的数字化三维模型

背景:心脏内部各腔室精细结构的数字化三维模型,不仅能够加强对心脏生理的认识,还能为心脏电生理仿真与心内膜电生理标测导航的研究提供重要的基础医学数据。目的:建立符合心腔实际解剖结构的三维数据,建立反映心脏内部各腔室结构的数字化三维模型。方法:在MATLAB软件环境下完成图像分割,首先对医学人体断层数据集中心脏切片图像进行自动配准,再运用聚类法根据图像的颜色特征对图像中各组织与成分进行分类,随后经区域生长法处理实现心腔及相关连通区域的图像分割与提取。所得图像导入专用医学图像处理软件,完成心腔三维模型重建。结果和结论:所提出的方法能够重建出较为精细的心腔结构三维模型。此模型中左右心房、心室结构明晰,能清楚地观察到主动脉、上腔静脉等血管,三尖瓣与二尖瓣等微细结构也有所体现。结果说明,重建的三维模型能够准确地反映出人体心腔解剖学结构特征,为心脏电生理方面的仿真和标测研究提供基础的医学数据支持。     

以螺旋CT数据建立的颅底三维有限元模型

背景:近年来国内外学者进行了大量生物力学实验研究,试图解释颅脑损伤的发生过程和受力大小与损伤部位的相关性。但是目前针对颅底骨折原因的研究主要是直接暴力,对于间接暴力作用于颅底后颅底的应力分布情况尚无报道。目的:利用螺旋CT数据、三维重建软件及有限元分析软件,在普通PC机建立颅底三维有限元模型。方法:选择正常成年女性作为建模对象,无头颈部损伤、手术及其他病史,CT扫描前进行X射线常规检查排除器质性疾病。头部螺旋CT薄层扫描后,将图像数据输入医用图像与三维重建软件MIMICS中,建立颅底的三维可视化模型。将该模型简化优化后,导入有限元分析软件ANSYS10.0中,建立颅底的三维有限元模型。结果与结论:建立了由额骨、蝶骨、筛骨、颞骨、枕骨等共同组成的颅底实体模型,由于成年人骨缝闭合,所以将其视为一个整体。对实体模型划分网格,得到颅底的三维有限元模型,共有51053个单元,80273个节点。提示所建立的颅底有限元模型外形逼真,几何相似性好,可以用来进行颅底骨折的生物力学研究。     

前列腺及其毗邻结构的三维可视化研究

目的：建立正常人前列腺及其毗邻结构的三维可视化数字模型。为解剖教学、临床诊断和男性盆腔手术提供动态三维形态学资料。方法：采用第三军医大学解剖学教研室的第1例中国数字化可视人体数据集1号（CVH1）盆腔连续断面图像分割出前列腺及其毗邻结构的轮廓数据,运用AMIRA商业软件进行计算机三维重建和可视化显示。结果：重建出了前列腺及其毗邻结构的三维可视化模型,该模型可从任意角度进行观察,清晰地显示前列腺与毗邻结构的空间位置关系。结论：前列腺及其毗邻结构的可视化模型为人体解剖教学和临床泌尿外科应用提供三维数字化工具,为CT、MRI男性盆腔断面影像研究提供了形态学资料。     

下颌骨数字化可视模型的建立

目的:建立下颌骨的三维数字化可视模型。方法:选择合适的尸体标本,经固定、动脉灌注、冷冻、包埋、洗切、数据采集,获得数字人数据集,取数字人数据图像中下颌骨有关的二维图像,提取其轮廓线,利用Amira软件系统进行下颌骨的外形及下颌管的重建。结果:利用数字人数据得到下颌骨精细的三维模型,在三维空间上真实地再现了下颌骨、下颌牙的解剖形态,并准确地显示出下颌管的位置与走行。结论:通过数字人数据,采用应用软件重建方法获得下颌骨三维模型,为口腔解剖及外科教学、下颌骨的美容整形及正颌外科手术治疗、下颌牙齿种植等提供了解剖学依据。     

Finite element analysis of stresses developed in the blood sac of a left ventricular assist device

The goal of this research is to develop a 3D finite element (FE) model of a left ventricular assist device (LVAD) to predict stresses in the blood sac. The hyperelastic stress–strain curves for the segmented poly(ether polyurethane urea) (SPEUU) blood sac were determined in both tension and compression using a servo-hydraulic testing system at various strain rates. Over the range of strain rates studied, the sac was not strain rate sensitive, however the material response was different for tension versus compression. The experimental tension and compression properties were used in a FE model that consisted of the pusher plate, blood sac and pump case. A quasi-static analysis was used to allow for nonlinearities due to contact and material deformation. The 3D FE model showed that blood sac stresses are not adversely affected by the location of the inlet and outlet ports of the device and that over the systolic ejection phase of the simulation the prediction of blood sac stresses from the full 3D model and an axisymmetric model are the same. Minimizing stresses in the blood sac will increase the longevity of the blood sac in vivo.     

基于中国数字化人体的支气管树三维模型构建及纤维支气管镜手术模拟仿真

目的 构建人体肺支气管树详细的三维数字化结构,并进行虚拟仿真和3D打印,为纤维支气管镜手术虚拟仿真提供精准的形态学资料。方法 选择中国数字化人体CVH1,2,5,6胸部的断层解剖图像,使用AMIRA软件对肺和支气管树进行分割并三维重建,使用Cinema 4D软件平滑,构建交互式3DPDF模型,并进行3D打印,创建虚拟纤维支气管镜手术仿真模型。结果 我们构建了4例详细的肺支气管树三维数字化模型,包括3例成人,1例儿童,展示了人体支气管树3～6级分支,4级与6级分支数都为上一级分支数两倍左右,左肺段支气管为8段,6级支气管分支数为63.8±3.6,右肺段支气管为10段,6级支气管分支数为63.8±3.6,左右肺6级支气管数比为0.79。支气管最长长度均位于左叶,儿童管腔直径均小于3例成人的管腔直径。结论 支气管树的三维数字化模型、3D打印模型、3D-PDF和手术虚拟仿真软件,提高了对支气管树解剖学和发育生物学的认识。我们认为,左肺的B¹⁺²和B⁷⁺⁸段支气管为单独的段支气管,而不是两段合并的段支气管,此研究为临床解剖学教学和纤维支气管镜手术虚拟仿...     

Three-dimensional reconstruction of paracentesis approach in transjugular intrahepatic portosystemic shunt

To establish a digital transjugular intrahepatic portosystemic shunt (TIPS) model and provide morphological data for radiological diagnosis and interventional radiology to reduce portal vein pressure, 400 serial sectional images from the internal jugular vein superior margin to the lower edge of the liver were chosen from the Chinese Visible Human dataset. Surface and volume reconstructions were performed using 3D-DOCTOR 3.5 software on an ordinary personal computer. Volume and surface renderings were employed to perform data segmentation and image edge detection for reconstruction of the internal jugular vein, brachiocephalic vein, superior vena cava, heart, inferior vena cava, hepatic vein, and portal vein for computerized 3D reconstruction of the TIPS pathway and construction of a 3D visible model of different structures along it. The model can also display pathway and distribution characteristics and interactively show the spatial structural relationships between intrahepatic venous lines from any position and angle, plus complete data acquisition for any range and angle for 3D reconstruction with stereopsis and measurements using any visualization platform. The digital reconstruction of the TIPS pathway correctly reflected the complicated anatomic structural characteristics and spatial adjacency relationships between intrahepatic venous lines, providing a reference 3D morphology for image diagnostics and interventional TIPS therapy.     

The study of three-dimensional reconstruction of Chinese adult liver

Purpose  To build a three-dimensional (3D) visible model of human liver and provide visualization of precise anatomical structures for making plans for hepatic operations and obtain accurate simulation of liver on computer. Methods  Based on the Chinese Visible Human data set, the hepatic structures were precisely segmented by Photoshop software. Then the segmented structures were reconstructed in surface rendering method and the hepatic parenchyma and the other parts of upper abdomen were reconstructed with volume rendering method by using our software on personal computer. Results  A 3D model of human liver and its surrounding structures was built. The reconstructed structures can be displayed singly, in small groups or as a whole and can be continuously rotated in 3D space at different velocities. This model can help doctors to understand the spatial structure of the liver and its surrounding organs and also help surgeons to devise a reasonable surgical plan and reduce the risk of surgical malpractice. Conclusion  Combining volume-rendering reconstruction with surface rendering reconstruction can overcome some of the defects of both rendering reconstructions. The reconstructed liver and the main internal structures are realistic, which demonstrate the natural shape and exact position of the structures. They provide an accurate anatomical model for Chinese adult and also provide a basis for performing virtual hepatic operation.     

人体大脑数字化解剖模型的构建及可视化

目的构建人体大脑数字化解剖模型,为实现大脑的计算机精确模拟提供可操作的基础平台,为人体大脑功能研究提供解剖学框架。方法采用低温冷冻铣切技术采集人体大脑的横断面图像,用课题组自行开发的软件,将分割提取后的脑断面图像进行重建,建立大脑三维模型。用与香港中文大学合作开发的可视化软件,在三维空间上对人体大脑结构进行可视化研究。结果建立了以前后连合间线中点为原点的大脑三维模型,且模型上每一像素都有相应的解剖标识,其任意一点的坐标均能显示;大脑的三维模型可以任意切割显示大脑内部结构：重构后的大脑结构还可进行三维测量。结论大脑数字化模型建立在临床常用的三维空间坐标系中且模型上每一像素都有相应的解剖标识,为模型驱动分割算法的研究提供了模板,同时也为神经解剖教学提供了一种新的、直观的手段。具有明确解剖标识和量化空间信息的数字化人大脑模型,与坐标系统联系起来,还为人大脑各类图像配准提供了公共参考系统。     

正常人高分辨率CT中耳三维有限元建模方法

目的探索根据正常人颞骨高分辨率CT二维图像建立中耳三维有限元实体模型的方法。方法获得无中耳传音结构病变志愿者高分辨颞骨CT资料,使用Photoshop、Amira、HyperMesh及Abaqus软件根据二维CT图像建立中耳三维有限元实体模型。结果建立了包含鼓膜、听骨链的中耳三维有限元实体模型,模型几何尺寸在正常解剖数据范围内。结论探索出一种基于正常人颞骨高分辨率CT二维图像的中耳三维有限元实体建模方法,具有快捷、方便、廉价、无创性的优点,为进一步进行中耳声音传导机制有限元分析奠定了基础。     

Segmentation and reconstruction of hepatic veins and intrahepatic portal vein based on the coronal sectional anatomic dataset

Three-dimensional (3D) reconstruction of intrahepatic vessels is very useful in visualizing the complex anatomy of hepatic veins and intrahepatic portal vein. It also provides a 3D anatomic basis for diagnostic imaging and surgical operation on the liver. In the present study, we built a 3D digitized model of hepatic veins and intrahepatic portal vein based on the coronal sectional anatomic dataset of the liver. The dataset was obtained using the digital freezing milling technique. The pre-reconstructed structures were identified and extracted, and then were segmented by the method of manual intervention. The digitized model of hepatic veins and intrahepatic portal vein was established using 3D medical visualization software. This model facilitated a continuous and dynamic displaying of the hepatic veins and intrahepatic portal vein at different orientations, which demonstrated the complicated relationship of adjacent hepatic veins and intrahepatic portal vein realistically in the 3D space. This study indicated that high-quality 2D images, precise data segmentation, and suitable 3D reconstruction methods ensured the reality and accuracy of the digital visualized model of hepatic veins and intrahepatic portal vein.     

脊柱侧凸三维有限元模型的建立及其意义

目的建立胸腰段脊柱侧凸的三维有限元模型。方法螺旋CT扫描脊柱侧凸患者T6椎体上缘至L1椎体下缘,所得图片经Photoshop处理后导入Simpleware软件,采用实体建模方法构建出每一椎体及椎间盘的实体模型,经过逆向工程软件Geomagic光滑、组装后导入有限元分析软件ABAQUS,进行网格划分建成脊柱侧凸的有限元模型。结果所建模型共划分了232315个单元,356830个节点,模型结构完整,单元划分精细,外观逼真,几何相似性好,能精确测量一定载荷下的应力和位移分布。结论本研究所建有限元模型有助于脊柱侧凸的生物力学研究,对于脊柱侧凸的治疗及个性化矫形支具的设计具有指导意义。