仿真环境下医学器官的三维有限元建模方法

背景：通过医学影像图片数据进行三维重建的模型主要应用于医学临床分析,而采用激光扫描进行逆向重建时建立的模型主要用于生物力学分析。生物力学模型建立的精确程度,直接影响分析结果。目的：分析采用医学影像图片数据和三维激光扫描重建医学器官模型的两种方法及意义。方法：①通过人体CT断层扫描医学影像图片数据,并运用医学重建软件进行三维重建。②采用三维激光扫描仪对医学模型进行扫描得到点云数据,再利用逆向处理软件实现医学器官模型的逆向重建。结果与结论：两种方法都可以建立符合人体解剖结构、可进行生物力学仿真计算的几何模型和有限元模型。医学影像CT/MRI数据重建的三维模型,能够真实再现被扫描对象的表面特征及内部结构,该模型为临床辅助诊断、手术规划、整形、假肢设计及解剖教学等方面提供了可靠的参考模型。三维激光扫描所得点云数据进行逆向重建,具有测量精度高、速度快,能够反映所测标本的表面形态,该模型可在交通运输、军事领域中因发生钝性冲击对人体内部器官造成的损伤进行计算机仿真分析。     

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。     

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。     

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Mimics 10.0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818294个,总节点数为149290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。     

利用激光扫描与CAD-CAM技术进行面部三维重建

目的:为临床医学个体化三维建模需要,提出用激光扫描仪与计算机辅助设计与制造技术反求面部表面轮廓的方法。方法:采用激光扫描系统对人体面部石膏模型进行扫描,通过获得的点云文件建立面部三维模型,将三维模型同原始点云数据进行偏差分析。结果:对由不同数量曲面片重建的模型与原始点云进行比较分析,精度可达0.01～0.20mm,最大误差主要集中在面部曲率较大处,结果满足整形设计的临床需求。结论:利用激光扫描与CAD/CAM技术进行面部三维模型重建,可以满足整形设计的临床需求。     

螺旋CT扫描三维重建

随着医学影像的不断发展 ,螺旋 CT机已广泛应用。与常规CT机相比 ,其扫描速度快 ,数据的采集和图像处理等方面都有很大区别。三维重建是将螺旋 CT扫描中采集的部分容积信息转入工作站 ,在工作站进行三维重建 ,准确的显示病变立体形态 ,从而了解其周围解剖结构 ,表现结构及空间关系 ,称为非创伤性的立体解剖 ,它适用于螺旋 CT扫描的各个部位。1　三维 CT重建技术要求笔者 3a来选择 2 0 0例不同病例行螺旋 CT扫描后三维重建。 3DCT成像是指将系列连续的 CT扫描所收集的数据信息经过计算机软件程序处理重建成立体图像的过程。 3D重建分…     

三维可视化技术在宫颈癌诊治中的应用初探

目的:建立活人体宫颈癌患者女性盆腔三维可视化数字模型,探讨三维可视化技术在宫颈癌诊治中的应用价值。方法:应用女性盆腔CT薄层扫描数据,在腹部医学三维可视化系统进行图像分割及三维重建,然后将重建模型导入FreeForm Modeling System平台进行平滑、上色、透明化、旋转等操作,获得三维可视化模型。结果:成功重建出宫颈癌患者女性盆腔的三维图像,包括盆腔主要脏器、血管、宫颈癌肿块、肿瘤供血血管等,并可从任意角度观察子宫与毗邻主要脏器空间立体位置关系。结论:通过腹部医学三维可视化系统重建的宫颈癌女性盆腔数字化模型,能够辅助判断宫颈癌患者分期并为临床治疗提供一定的参考依据,为进一步的仿真手术研究提供基础。     

CT三维重建与颈椎弓根测量

背景：三维重建技术能够提供人体内部结构的数字化三维模型,并利用相关软件在模型上进行手术设计和生物力学分析,为椎弓根螺钉的安全有效置入提供可靠数据。目的：综述CT三维重建在颈椎弓根测量中的应用。方法：应用计算机检索1990/2011PubMed数据库、维普数据库及万方数据库中有关CT三维重建在颈椎弓根测量中应用的文献,英文检索词为＂thre edimensional reformation sofmulti-slicespiral CT;cervical pedicle＂;中文检索词为＂颈椎弓根;三维CT;计算机辅助设计;脊柱外科;数字骨科;医学图像＂。结果与结论：应用CT三维重建技术可以获得清晰颈椎三维图像。颈椎椎弓根螺钉置入技术因颈椎椎弓根变异较大,临近解剖结构复杂,目前国内仅少数医院得以成功开展。而利用三维CT重建测量颈椎弓根可以模拟椎弓根螺钉置入技术,能够真实准确地观察和测量椎弓根螺钉在椎体内的情况,获取个体化解剖数据,为临床应用椎弓根螺钉置入技术提供指导。     

锁骨三维有限元模型的全程数字化构建

目的:采用有限元分析的方法构建锁骨三维模型,以期为锁骨骨折、骨不连的治疗,内固定的选择提供生物力学理论依据。方法:实验于2005-02在上海长海医院骨科完成。采用西门子SOMATOM Volume Zoom CT机对一健康成年男性自愿者(26岁)的锁骨进行CT断层成像,得到锁骨横截面图,将所得CT扫描图象以DICOM格式存入DELL个人计算机并按扫描顺序逐张扫描图片中骨骼周围的软组织,利用大型有限元分析软件ANSYS 7.0建立锁骨三维模型,采用三维十结点四面体实体单元对模型进行网络划分及计算。结果:获得了精确的锁骨多排螺旋CT扫描数据,断层间距为1mm。利用数据建立了58111个结点,26930个单元的锁骨三维有限元模型,实现了整个建模过程的全数字化。结论:全程数字化构建锁骨三维有限元模型,客观反映了锁骨真实解剖形态及生物力学行为。     

骨科生物力学股骨颈三维模型特点及建模方法

目的评价新的股骨颈生物力学分析中股骨颈三维模型的特点及建模的可行性。方法在分析建模过程和操作流程的基础上,分别利用塑料股骨模型和尸体股骨模型进行CT类型DICOM图像的VTK快速读入、边缘提取及三维重建,验证该过程所建的股骨颈生物力学分析中股骨颈模型的正确性和有效性。实现三维重建股骨颈在生物力学实验及股骨颈骨折手术操作中的临床应用价值。结果特征数据的提取过程简单,通常情况下,102张DICOM数据,只需3min左右即可完成阈值图像处理、光顺处理以及特征数据提取。同时,只需以不大于2mm的片层间距扫描CT图像,就可重建出生物力学分析可接受的股骨颈的三维形体。并在半分钟完成重建。结论在CT图像中,基于图像灰度阈值能够有效快速获取股骨颈生物力学模型的数据特征及三维重建形体,且开发出可交互的股骨颈三视图系统。     

利用螺旋CT数据建立上颈椎三维有限元模型

目的：建立上颈椎三维有限元模型．以期应用于临床相关的生物力学实验研究。方法：通过对正常人的CT薄层扫描获得原始DICOM图像数据．采用CAD数据处理技术进行计算机三维重建．改良建立的模型导进ANSYS9．0软件进行计算机模拟仿真生物力学研究。结果：所建模型外观清晰逼真。几何相似性好。三维重建结构可以单独或联合显示。甚至可行结构的任意取舍，重建结构的任意径线及角度均可进行适时三维测量。结论：该技术为临床医生对枕颈交界区有限元三维模型的建立提供了一种便捷而精确的方法，对计算机分析及研究该模型局部结构在各种受力情况下的生物力学表现创造条件。     

脊柱颈胸结合部有限元模型的建立

目的：建立脊柱颈胸结合部椎体的三维有限元模型,以期应用于指导临床实践以及作为体外生物力学实验研究的有益补充。方法：通过对正常人的CT薄层扫描获得的原始DICOM数据图像,采用Mimic10.01软件进行数据处理,进行骨质的三维重建,使用Magic 9.9改良建立的模型,导入ANYSY 10.0软件进行计算机模拟仿真生物力学研究。结果：所建模型外观逼真,几何相似性好。三维重建结构可单独或联合显示,甚至可以进行任意结构的取舍,重建结构的任意径线及角度均可以适当的三维测量。结论：该模型的结构完整,空间结构测量准确度高,单元格划分精细重点突出,较为准确地模拟了脊柱颈胸结合部的生物力学特点,为临床医生对脊柱颈胸交界区的三维有限元模型的建立提供了一种便捷而精确的方法,为计算机分析及研究该模型局部结构在各种受力情况下的生物力学表现创造了条件。     

基于CT三维重建个体化股骨假体的计算机辅助设计

背景:由于人体的绝对个性化特点,标准人工假体与患者骨骼之间的误差使二者难以很好匹配.计算机辅助设计和制造个体化假体克服了其他假体的缺点,可有效地延长人工关节的使用寿命和使用质量,并可能解决人工关节的翻修问题.国内的研究尚处于起步阶段.目的:基于CT图像的三维重建,探求个体化股骨假体计算机辅助设计在提高假体与病变骨骼匹配度中的作用.方法:CT扫描对象为1例健康男性志愿者,排除髋关节疾患.采用GE Speed Light 16排螺旋CT对股骨中上段进行层厚3 mm扫描,得到CT数据的二维图像,利用自主开发的数据格式转换软件将CT图像转换为bmp格式.对位图编辑预处理,用Mimics8.1软件进行矢量化处理,提取股骨内外轮廓.然后输入Mimics8.1和Rapidform2004三维反求工程软件中,生成股骨内外轮廓的特征曲线,重建股骨三维模型.将股骨髓腔的特征轮廓曲线dxf文件输入计算机辅助设计建模软件Solidworks2004中,以此股骨髓腔轮廓为基础,完成个体化股骨假体的设计.结果与结论:利用自主开发的数据格式转换软件,实现了CT图像信息的矢量转换.以CT二维图像为依据,进行三维反求,可获得精确的股骨内外轮廓三维实体模型.采用反求工程与正向计算机辅助设计相结合,可设计出匹配良好的个体化股骨假体.提示反求工程和计算机辅助设计技术为个体化假体的研制提供了一个有效可行的途径,解决假体与病变骨骼的良好匹配,可防止假体松动,提高其长期稳定性.     

基于CT图像构建的腰椎三维有限元模型

背景:与实验生物力学研究相比,有限元分析方法具有独特的优越性。如何准确地构建腰椎节段有限元模型是有限元分析的关键。目的:建立人体腰椎三维有限元模型用于生物力学分析。方法:利用GE64排螺旋CT对成年男性腰部进行扫描,得到351层DICOM格式断层图像,应用Mimics软件进行三维重建,将所得模型以.stl格式导入Solidworks,生成实体模型,最后导入Ansys赋予材料属性并划分网格,得到便于分析的有限元模型。与体外生物力学实验数据对比,完成模型验证。结果与结论:成功地建立了表面光滑、外观逼真的腰椎有限元模型。该模型共有144411个节点,88742个单元,具有较高的准确性,且可以方便地施加约束和载荷,进行有限元分析。为临床腰椎三维有限元模型建立提供了一种精确而实用的方法,所建模型可以用来模拟腰椎生物力学实验。     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景:由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段.目的:以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布.方法:获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics 10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS.再根据解剖部位建立骨盆主要韧带.对S1椎体上终板施加600 N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况.结果与结论:垂直加载600 N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节.此时的坐骨结节处承受较大压应力.有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高.计算结果与文献中报道的结果相近,建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具及满足临床研究的需要.     

Matlab重建磨牙CT图像的三维模型的初步研究

目的:建立人磨牙的三维模型,作为今后人体牙齿的进一步力学分析的基础。方法:采用年轻女性右侧下颌第一磨牙为对象,应用CT扫描技术、CT图像处理?熏 经过滤除噪声、重新排列、二值化等操作,用MathWorks公司的Matlab6.5的体积可视化功能来进行三维模型的建立。结果:采用CT薄层扫描资料建立起来的三维模型,形态逼真,能真实反映牙齿外形及髓腔三维结构。结论:人体磨牙三维模型的建立,可以为今后的牙齿生物力学分析提供一个逼真的模型,并且可进一步进行计算机辅助设计处理,建立的牙齿模型还可以进行生物力学分析以及动力学研究,为进一步研究奠定基础。