基于MRI图像胫股关节有限元模型的建立

选择1名正常青年男性,排除膝关节疾患,年龄28岁,体质量68 kg,身高175 cm,利用本院1.5T Twinspeed/Excite超导型磁共振扫描仪进行右膝关节连续失状位MRI扫描,扫描方式右膝关节自内向外不间断扫描。所得扫描图像经过Mimics10.0、Geomagic Studio 8.0分析软件处理后建立胫骨关节三维模型,并将Geomagic Studio 8.0软件处理生成的STL文件转化为有限元分析软件ANSYS 11.0可接受的IGS文件。以此方法完成了MRI图像下胫股关节高仿真模型的建立。利用MRI图片,经过Mimics10.0、Geomagic Studio 8.0软件处理建立了人体右膝胫股关节的三维计算机模型,为后期取股骨髁表面软骨修复指间关节损伤的有限元仿真分析提供了保证。结果提示,二维 MRI图片下所建立三维模型,解决了CT数据对软组织成像较差的不足,能够使模型更接近于真实解剖结构。     

带有枕骨全颈椎三维有限元模型的构建及生物力学分析

目的 构建含有枕骨的全颈椎三维有限元模型,并验证其有效性,为颈椎及颅颈交界区疾病的生物力学研究提供良好的力学模型。方法 基于健康男性志愿者的枕颈部薄层CT构建模型,将CT的原始数据导入Mimics软件中,构建三维点云模型,进而导入Geomagic Studio软件构建全颈椎曲面模型,并在Hypermesh软件中进行实体网格划分、材料赋值等步骤构建枕骨~T1的全颈椎实体模型,最后导入有限元软件Abaqus进行有效性验证。结果 构建的带有枕骨的全颈椎有限元模型同真实脊柱解剖学形态一致,材料属性正确,且各节段活动度在既往文献标准差范围以内,通过了模型的有效性验证。结论 本研究所建立的带有枕骨的全颈椎有限元模型符合脊柱生物力学研究所要求的解剖学一致和生物力学相似,可用于颅颈交界区及颈椎的生物力学研究。     

基于逆向工程/正向设计的三维重建金属对金属全髋表面置换假体

背景：全髋关节表面置换在进行假体装配中,需要与实体绝对匹配的3D模型。 目的：通过逆向工程/逆向设计技术三维重建金属对金属全髋表面置换假体。 方法：基于三维激光扫描仪所得假体的点云文件,Geomagic软件和3ds max软件再分别进行点云拼接、3D还原、特征提取从而得到全髋表面置换假体的三维可视化结构。 结果与结论：逆向工程/正向设计技术能还原假体的三维形态,可真实再现髋臼假体和股骨假体的结构。提示根据逆向工程/正向设计软件系统能准确重建金属对金属全髋表面置换假体。     

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165 886个,节点213 343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。     

单侧完全性唇腭裂上颌骨三维有限元模型的建立****☆

对单侧完全性唇腭裂患者颅颌面部进行多层螺旋CT扫描,利用Mimics软件直接将CT扫描样本得到的Dicom标准文件进行处理,并导入逆向工程软件Geomagic Studio构建模型的表面,在此基础上用Ansys软件建立完整的单侧唇腭裂上颌骨三维有限元模型。建立了由27 405个实体单元和26 876个节点组成的单侧完全性唇腭裂上颌骨有限元模型。应用螺旋CT技术和联合使用Mimics软件、Geomagic Studio软件对模型进行构建,并结合Ansys软件生成三维有限元计算模型,是一种快速有效的建立单侧完全性唇腭裂有限元模型的方法。     

基于HyperMesh建立颅底陷入合并寰枕融合畸形的三维有限元模型

目的 探讨建立颅底陷入合并寰枕融合畸形的三维有限元模型的方法。方法 采集1例颅底陷入合并寰枕融合畸形患者的颅颈交界区的CT薄层扫描数据,利用Mimics软件对CT数据进行处理,生成三维几何表面模型,并导出点云;采用逆向工程软件Imageware处理点云数据,生成三维曲面;采用四面体与六面体混合分网的思路,利用HyperMesh对曲面模型先分块再分网,最后导出网格模型;将网格模型导入有限元软件Abaqus,进行韧带添加、材料赋值、接触定义、边界约束等,得到寰枕融合畸形三维有限元模型。结果 建立的有限元模型包含474 162个单元和235 524个节点,外观逼真,几何相似性较好,可根据不同实验目的进行加载分析,对复杂载荷条件进行仿真计算。结论 利用HyperMesh等软件的前处理功能建立的颅底陷入合并寰枕融合三维有限元模型,可为颅颈交界区畸形的生物力学研究提供基础,可为上颈椎畸形有限元模型的建立提供参考。     

基于逆向工程的三维仿生膝关节建模

背景：膝关节置换后,要求患肢达到负重, 伸屈及旋转活动,稳定性好。这就要求假体的几何形状要与人体相匹配并使其植入后与人体运动规律相一致,才能使假体与周围保留的软组织协调运动,这一切都得依赖于精确的膝关节假体设计与制造。 目的：利用计算机辅助技术设计个性化人工膝关节。 方法：利用三维镭射扫描和计算机辅助设计技术对人体膝关节进行扫描并对所输出的点云数据进行处理,利用工程软件Geomagic和UG进行膝关节三维实体模型重建。 结果与结论：得到了非常精确的膝关节三维模型。为中国人工仿生膝关节的数字化制造,虚拟装配,应力分析,运动分析及模拟手术提供了精确的模型基础。     

膝关节三维有限元模型的建立及生物力学分析*

背景：近年来,采用有限元分析法进行膝关节生物力学分析在国外发展迅速,但在国内,关于膝关节的三维有限元分析较少,且建模简单,相对粗糙,目前尚未有文献报道包括半月板、关节软骨及全部韧带等在内的完整膝关节的精细三维有限元模型。 目的：建立完整的膝关节三维有限元模型。 方法：获取正常膝关节SCT扫描图像数据,使用Mimics、3ds Max、ANSYS等软件建立膝关节三维有限元模型并进行初步的生物力学分析,以验证模型的有效性。 结果与结论：建立的膝关节三维有限元模型具有良好的生物形态,外形与实体标本一致性高。进行生物力学分析结果显示前交叉韧带承受前向载荷最大;轴向负荷中,内侧间室负荷较外侧间室大;胫腓骨前向移动4.9 mm。实验初步表明采用CT扫描资料建立三维有限元模型切实可行,特别适用于骨科领域三维有限元模型的建立。     

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。     

骨质疏松股骨三维有限元模型的建立

背景：通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体且模型间可比性低,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。 目的：建立骨质疏松股骨三维有限元模型。 方法：根据国人股骨平均参数,选择重度骨质疏松老年男性患者1例,年龄86岁,排除髋关节疾患。通过螺旋CT扫描获得骨质疏松股骨图像数据,将图像数据导入图像处理软件Mimics11.1进行图像处理,生成股骨骨皮质内、外表面的轮廓曲线;再将轮廓曲线数据导入建模软件Unigraphic NX4.0进行实体建模,得到具有骨皮质、骨松质、骨髓腔的股骨三维模型;将三维模型数据导入有限元分析软件Ansys11.0 进行赋值、网格划分、定义接触等操作建立骨质疏松股骨三维有限元模型。 结果与结论：建立了骨质疏松股骨三维有限元模型,为骨质疏松股骨限元模型的建立提供了切实可靠的方法,为研究骨质疏松股骨骨折的固定方法、关节置换等创造了条件。     

不同屈曲角度下膝关节主要韧带有限元模型的建立和验证

背景：随着计算机技术和有限元理论的发展,通过建立膝关节主要韧带的有限元模型进行生物力学研究开始成为最重要的研究方法之一,而如何建立不同屈曲角度下的精确而有效的膝关节模型也成为了研究者们关注的焦点。 目的：探索建立不同屈曲角度下膝关节主要韧带有限元模型的方法并进行验证。 方法：解剖膝关节标本,去除周围软组织并暴露主要韧带。将韧带用钢丝环绕标记后用CT机在不同屈曲角度下扫描,去除韧带组织后再将韧带止点打孔标记并用CT机扫描。将得到的图像数据导入到仿真软件MIMICS中进行三维重建。将三维模型进行必要的修饰和调整后导入有限元软件ANSYS中,在设置材料属性和划分网格后生成三维有限元模型。在有限元软件中对完全伸直角度下的有限元模型采用134 N前向力作用于胫骨,采集胫骨前移的数据并观察韧带受力情况以验证模型的有效性。 结果与结论：得到的模型外形精确逼真,包括股骨、胫骨、前后交叉韧带和内外侧副韧带,并且通过与其他学者的类似数据以及临床经验的比较验证了模型的有效性。实验所得到的模型具有较好的形态仿真和功能仿真,能够在不同屈曲角度下有效的模仿膝关节活动,可以用于开展进一步的生物力学研究。     

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。     

颈椎三维有限元模型的建立和验证

目的 建立具有详细解剖结构的颈椎三维有限元模型并验证其有效性.方法 对1 名健康成年男性进行颈椎的薄层CT 扫描,将CT 数据导入到Mimics10.0 中得到颈椎的三维图像数据,然后导入到Geomagic studio 9.0 中得到颈椎的几何模型,最后在ANSYS 11.0 中建立颈椎的有限元模型.采用与文献中相同...     

上颌切牙区3种不同形式种植固定桥三维有限元模型的建立

背景：研究表明,三维有限元分析法是分析种植体周围骨界面生物力学分布的重要研究手段,精确的模型构建是三维有限元准确分析的基础,可为优化种植设计方案提供研究支持。 目的：建立3种不同形式种植固定桥修复上颌切牙区的三维有限元模型,为研究其生物力学分布提供数学化模型。 方法：利用CT扫描技术和Geomagic studio 9.0软件、Mimics 10.01软件的实体建模技术,结合 ANSYS 10.0有限元分析软件建立人上颌切牙区3种不同形式种植体支持固定桥的三维有限元模型。 结果与结论：成功建立了三维有限元模型,总节点数为365 173个,四面体总单元数为204 854个。该模型获得上颌骨、上颌中切牙、侧切牙、种植体及瓷层的形态,具有良好的几何相似性。提示将CT 扫描技术、数字图像处理技术与一系列计算机软件相结合,建立三维有限元模型的方法是行之有效的。