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。     

个体股骨头坏死三维有限元模型的建立与应用

同时基于个体股骨头坏死患者的X-ray、CT和MRI图像,采用图像配准和融合技术对包含坏死股骨头的髋关节进行三维重建,获取具有高度几何相似性的三维有限元网格模型。选择1例中年女性股骨头坏死患者,分别获取X-ray、CT和MRI三套图像,采用Mimics 13.1和Pro/E 5.1软件分别基于这三套数据建立相关三维实体模型,经图像投影转换后,确定图像之间的匹配点,进行二维图像配准,配准后对成功融合的图像进行三维有限元网格模型显示。建立了具有良好几何相似性的髋关节三维有限元网格模型,包括正常皮质骨、松质骨、关节软骨和股骨头坏死区、断裂骨小梁等六部份,较真实地反映了包含坏死股骨头的髋关节的形态特征及毗邻关系,为进一步的生物力学分析和手术模拟提供了较理想的研究平台。     

利用数字几何技术重建个性化骨骼模型

背景:由于医学CT体数据存在各向异性的特点,导致CT序列图像重建网格模型时产生阶梯表面,从而影响后续的医学诊断。目的:利用数字几何处理技术重建个性化骨骼模型。方法:首先基于互信息的图像配准算法对骨骼CT序列图像进行配准,接着使用图像分割提取骨骼轮廓集并转化为三维点云,然后使用高斯加权的主成分分析方法估算点云法向量并对点云进行三边滤波去噪,最后对点云进行自适应圆球覆盖及网格化处理,完成个性化骨骼模型重建。结果与结论:文章所提的方法可以生成光顺的个性化骨骼表面网格模型,所形成的三角网格形状规则且自适应分布,可以为计算机辅助制造、有限元分析及3D打印提供准确的三维模型。     

基于CT数据的人体L3-L4腰椎节段的三维有限元建模和分析

目的 建立一个精确的人体L3-L4腰椎节段有限元模型,用于腰椎生物力学的研究.方法 基于可视人计划(visible human project,VHP)男性冷冻CT数据,通过Marchingcubes算法三维重建L3和L4椎骨的几何模型并转换为有限元网格,然后结合椎间盘和韧带的网格建立L3-L4节段的有限元网格.根据CT值设定材料特性建立有限元模型,施加压缩的边界条件进行有限元分析,并和参考模型的结果比较分析.结果 基于CT的L3-L4节段有限元模型比参考模型更符合腰椎的解剖结构.结论 基于CT的L3-L4节段有限元模型能够精确的描述腰椎解剖结构,保证有限元分析的准确性.     

医学图像三维重建系统的数据结构表达及表面模型的构建

医学图像三维重建在诊断、放射治疗规划及医学研究中均有着重要应用，本文论述了医学图像三维重建系统程序流程，设计了自动及手工轮廓勾画两种分割方法，并提出了建立了合理的系统数据结构。该数据结构能较好地描述系统数据的层次关系和表达重建的几何模型。对由自动分割和手工勾画出的组织，用MT算法构建其三维表面几何模型 。实现了网格简化的边收缩算法，并对由MT算法生成的表面模型进行了网格简化处理。模型网格经简化90％，依然能较好地保持模型的特征，大大加快了绘制速度。     

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。     

医学图像三维有限元重建中的数据管理及T10～T12胸椎模型建立

在进行生物力学分析时 ,依靠序列医学图像进行三维有限元模型重建是一种必要的手段 ,但是此过程中图像的数据处理和网格划分等繁重的前处理工作 ,成为了有限元分析工作的瓶颈 ,尤其是形状和其医学图像的数据具有复杂性的胸椎的模型的建立。针对胸椎三维有限元模型建立所必需的数据 ,给出了基于 CT医学图像处理所必需的数据结构和类型 ,分析了数据获得和处理的方法。同时提出了基于分块建模思想的数据管理方法 ,结合MSC.Marc软件实现了网格划分 ,建立了 T10～ T12段胸椎的三维有限元模型 ,其形态特征基本保持了实际骨骼的外形特征 ,满足了生物力学研究分析的要求。针对医学序列图像处理和有限元模型的建立过程中的数据获得与管理 ,是非常有意义的重要工作之一 ,对于其他类似的基于医学图像 (CT、MRI等 )的人体组织的三维有限元重建工作 ,具有拓展意义和实际的指导意义。     

建立基于映射的个性化颌面部六面体有限元模型

目的为患者建立个性化口腔颌面部整颌整形手术的六面体有限元网格模型。方法首先使用半自动方法构建标准颌面部软组织的高质量六面体有限元网格模型,然后采用一种基于映射的实例学习方法生成个性化患者的颌面部六面体网格模型。结果能够方便地生成几何形状与患者形态高度一致的个性化六面体网格模型,并尽可能保持体网格单元的角度和形状质量。结论新的六面体网格建模方法能为生物力学分析提供高质量的六面体有限元网格输入,在口腔颌面外科等多个学科均有很好的推广应用前景。     

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。     

基于医学图像的人体组织有限元模型的建立方法

在医学图像处理、分析和一些成像算法重构中,建立准确的人体组织轮廓外形和有限元模型对于图像分析和改善重构算法的性能、提高分析和重构结果的准确性具有重要作用。本文使用图像处理与曲线拟合的办法,提取CT图像中的真实人体边界,进行分层的有限元剖分与相关参数设置,获得基于真实人体的有限元重构模型。该方法构建的有限元重构模型已在医学图像处理实际工作中得到了初步的应用。     

基于冷冻切片的人体腰椎三维有限元模型

目的利用上海交通大学生命质量与机械工程研究所自主开发的冷冻切片处理软件CryoSegmemation提取人体骨骼的边缘,利用逆向工程软件Imageware建立骨骼的面模型,在ANSYS中建立人体腰椎的三维有限元模型。方法利用第三军医大学的第一例男性冷冻切片数据进行图像处理,截面轮廓线信息处理。结果准确快速地建立了完全符合人体解剖特征的腰椎三维有限元模型。结论利用该研究所自主开发的冷冻切片软件和一些现有的商用软件可以准确、快速地建立人体腰椎的三维面模型、体模型及有限元模型,为航空、车辆、船舶、生物医学工程等不同的领域进行数值模拟计算和动力学仿真提供完全符合人体解剖学特征的原始模型。     

用三维重建和有限元方法对人体心脏进行力学分析

目的　建立人体心脏的三维几何模型和有限元网格模型，进行有限元仿真计算。方法　利用可视化人体心脏数据集，通过3D-DOCTOR软件和SOLIDWORKS软件重建心脏外形和内腔的三维结构数据，以STEP格式导入ABAQUS有限元软件形成网格模型。在有限元网格模型的基础上进行心脏自振频率、内腔血压等载荷情况下的力学性能分析。结果　建立了一个数字化心脏可视模型。能够反映心脏三维形状和内腔结构；得到了心脏内腔的大致容积；反映了心脏心肌不同区域的不同性质；得到了心脏3个方向的自振频率和振型，以及内腔血压下的应力分布。结论　建立了可视化三维心脏的几何和网格模型，反映了心脏的外形和内腔。利用有限元分析方法，能够为心脏的生物力学分析提供可视化的数值仿真平台。     

基于Simpleware全颈椎三维有限元模型的构建与分析

目的 利用Simpleware软件构建全颈椎三维有限元模型,并对模型进行验证和分析,为探讨颈椎损伤机制提供可靠模型。方法 基于CT断层扫描图像,利用医学图像处理软件Simpleware、逆向工程软件Geomagic建立C1~7全颈椎三维实体模型,导入Hypermesh进行颈椎网格划分、添加韧带并引入小关节突接触关系等,建立C1~7全颈椎有限元模型,在ANSYS中模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况下颈椎的生物力学性能。结果 建立的模型准确可靠,在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转时,活动范围与文献中离体实验和有限元分析结果相近。椎间盘应力集中在椎体受压侧,C4/5最易产生应力集中。结论 建立的C1~7全颈椎有限元模型能够有效模拟颈椎的生物力学特性,为后续颈椎挥鞭样损伤的生物力学研究奠定良好的基础。     

儿童肱骨三维有限元建模及验证

背景：有限元数值模拟力学实验方法是对人体进行生物力学结构研究的有效手段。 目的：建立正常6岁健康儿童肱骨的三维有限元模型。 方法：使用某6岁儿童志愿者的人体CT数据,导入到Mimics 10.01软件中,应用阈值分割的方法进行肱骨三维重建。运用Geomagic Studio 12.0对模型表面进行表面优化处理及曲面片的划分,然后使用TrueGrid软件进行网格划分,最后对其进行材料属性赋值,完成有限元模型的构建。施加边界条件及约束,模拟肱骨的三点弯曲试验,输出模拟结果。 结果与结论：建立完成的肱骨有限元模型包括3 024个节点,8节点六面体单元1 875个,实验分别加载0.01 m/s和3 m/s的动态载荷,肱骨中部均发生断裂,载荷-位移曲线与尸体试验结果近似。模拟结果显示,儿童肱骨的有限元模型仿真结果与尸体试验结果较为接近,有限元仿真法可以很好的模拟人体骨骼的物理特性。     

Segmentation and Surface Reconstruction of the Detailed Ear Structures,Identified in Sectioned Images

The structure of the ear, which intervenes between gross anatomy and histology in size, can be best understood by means of three‐dimensional (3D) surface models on a computer. Furthermore, surface models are the source of interactive simulation for clinical trials, such as tympanoplasty. The objective of this research was to elaborate the surface models of detailed ear structures, which contribute to learning anatomy or the practice of otology. We produced sectioned images of a cadaver head (pixel size, 0.1 mm; 48‐bit color). In the sectioned images, the external, middle, and internal ear structures and other related components were delineated on Photoshop to acquire segmented images at 0.5‐mm intervals. Segmented images of each structure were stacked, and the surface was reconstructed to generate a 3D‐surface model on commercial software. Thirty surface models showed fine ear topographic anatomy (e.g., semicircular ducts), as expected. Herein, we present the corresponding sectioned images, segmented images, and surface models of ear structures that will be released together. It is hoped that these image data will stimulate the development of medical simulations. The efficient technique of segmentation and surface reconstruction enables the manufacture of surface models from other serial images (e.g., CTs and MRIs). Anat Rec, 2011. © 2011 Wiley‐Liss, Inc.     

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。     

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.     

Advanced Surface Reconstruction Technique to Build Detailed Surface Models of the Liver and Neighboring Structures from the Visible Korean Human

Unlike volume models, surface models, which are empty three-dimensional images, have small file size, so that they can be displayed, rotated, and modified in a real time. For the reason, the surface models of liver and neighboring structures can be effectively applied to virtual hepatic segmentectomy, virtual laparoscopic cholecystectomy, and so on. The purpose of this research is to present surface models of detailed structures inside and outside the liver, which promote medical simulation systems. Forty-seven chosen structures were liver structures such as portal triad, hepatic vein, and neighboring structures such as the stomach, duodenum, muscles, bones, and skin. The structures were outlined in the serially sectioned images from the Visible Korean Human to prepare segmented images. From the segmented images, serial outlines of each structure were stacked; on the popular commercial software, advanced surface reconstruction technique was applied to build surface model of the structure. A surface model of the liver was divided into eight models of hepatic segments according to distribution of the portal vein. The surface models will be distributed to encourage researchers to develop the various kinds of medical simulation of the abdomen.     

建立人体头颈动力学有限元模型和验证

目的建立符合解剖结构的头颈三维动力学有限元模型,研究冲击力作用下头颈部动力学响应。方法采用中国成年男性志愿者颈部CT扫描图像,获取颈椎三维点云数据,通过有限元前处理软件ICEM-CFD和Hyper Mesh建立颈部有限元模型。模型包括椎骨、椎间盘、小关节、韧带和软骨等组织,结合已建立并验证的头部有限元模型,装配成具有详细解剖结构的人体头颈部有限元模型。结果模型参考公开发表的头颈部轴向冲击实验数据进行验证,其颈部变形、头部加速度、接触力曲线以及损伤部位与实验数据吻合较好。结论动力学三维有限元模型可用于汽车安全、运动学损伤等领域人体头颈部的动态响应和损伤机制研究。     

基于有限元仿真的数字化脊柱侧弯矫形研究

目的:对脊柱侧弯患者全脊柱进行数字化信息提取,研究矫形角度与矫形力的关系,并基于CT断层扫描数据信息对患者侧弯脊柱进行三维重建,验证矫形方案的可靠性,从而为患者提供最优的个体化脊柱侧弯矫形方案。方法:根据患者CT断层扫描数据,在Matlab软件中对患者侧弯脊柱进行数字化建模,以力学原理推导矫形力与矫形角度的关系式,从而确定脊柱侧弯矫形方案。利用Mimics19.0、3-Matic等医学三维软件,对患者脊柱侧弯部分进行完整三维重建并在AnsysWorkbench中进行有限元仿真,验证矫形方案效果。结果:重建出的脊柱三维模型能够准确反映患者实际脊柱侧弯情况,Matlab软件计算得到的最优化矫形方案能够在有限元仿真中得到验证。结论:基于数字化三维重建的脊柱侧弯矫形能够针对患者个体情况提供最优化的矫形方案,辅助临床医生选择满足患者实际需求的治疗方案。