建立数字化虚拟中国男性一号膝关节的有限元模型

目的 针对数字化虚拟中国男性一号的膝关节断面切片图像，建立可供有限元结构仿真分析的膝关节三维模型。方法 将中国数字化虚拟人体男性一号膝关节部位的薄层切片数码图像输入PC机，经过分割、配准等处理后，利用三维重建软件Mimics建立三维图像，然后通过自由造型系统进行表面光滑处理，再对表面图像矢量化，存储为有限元仿真分析可以接受的格式。结果 建立了人体膝关节的三维计算机模型，并转换为IGES格式，可以提供膝关节的有限元生物力学仿真分析。结论 利用Mirnics重建后的三维计算机模型，可经自由造型系统FreeForm plus转换后应用于有限元仿真分析。     

对Mimics V10.0软件三种三维重建方法 的研究

目的对MimicsV10．0软件3种三维重建方法加以阐述，为该软件在基础医学教学、术前模拟等领域的开发应用提供数字模型。方法选取3个无器质性病变成年男性膝关节，利用GELightspeed16排螺旋CT的薄层扫描技术，基于1．25mm层厚，85层人体膝关节的连续断层图像，Mimics直接读入Dicom格式原始图像，采用各种模型处理技术，获得表面漏洞及其髓腔填充后的左膝关节新蒙罩，以该新蒙罩为基础将所选取的阈值范围内的相邻象素连接并重组成图像后获得三维实体模型，将该模型表面数据网格化后得到面网格化重建模型，此外提取新蒙罩每一层的外轮廓线并重叠起来得到表面轮廓重建模型。结果3种三维重建方法得到的左膝关节模型轮廓清晰，均能旋转，方便测量。其中三维实体重建模型可被剖割，得到任意多平面重建曲面。面网格化重建模型可直接导入有限元软件，行运动生物力学分析。表面轮廓重建模型，可用于胫骨平台假体的设计。结论在Mimics软件中所获得的3种三维重建模型，为进行有限元分析、手术过程模拟、快速原型制造等奠定了数字模型基础。     

基于"中国数字人"切片建立包含牙列的下颌骨三维模型

目的 利用虚拟人数据资料借助医学三维重建软件快速重建包含下颌牙列的人体下颌骨三维模型,为数字化虚拟人体作出技术探讨.方法 选择合适的尸体标本,经固定、动脉灌注、包埋、数据采集后获得虚拟人数据集,按照不同数据格式保存虚拟人切片图像数据.为今后不同规模的人体解剖结构重建目的 作准备.取虚拟人切片数据图像中下颌骨切片部分图像共计280张经二维图像处理软件去噪、描边后导入专用医学三维重建软件进行下颌骨的三维重建,生成的下颌骨三维模型经表面光滑处理后进行渲染.结果 利用虚拟人的数据得到了包含牙列的下颌骨精细的三维模型,在三维方向上真实地再现了下颌骨的解剖形态.结论 利用中国数字化可视人体图像能建立准确的下颌骨三维模型.     

颌面部包括咀嚼系统的数字解剖学有限元建模初步研究

目的初步探究基于解剖学和影像学对颌面部包括完整咀嚼系统的数字解剖学三维有限元建模的可行性,为进一步模拟颌面部生物力学做准备。方法采集第2代中国数字化人体"男性第23号"头颅CT图像、咀嚼肌MRI图像及双侧颞下颌关节盘MRI图像,以DICOM格式导入Mimics软件进行三维重建,再通过Geomagic Stadio软件配准模型、优化模型并构建数字化颌面部结构,最后将单个前牙的牙体牙周精细模型导入ANSYS进行有限元分析,检验模型的实用性。结果建立了一个包含全牙列牙髓、牙本质、牙骨质、牙釉质、牙周膜、上颌骨双皮质层、下颌骨双皮质层、下牙槽神经、颞下颌关节、关节盘、关节软骨、关节囊以及咀嚼肌肉系统和颌面的三维解剖学模型,以及单个前牙的三维有限元模型。结论基于CT、MRI影像和解剖学,利用医学影像处理软件Mimics、Geomagic Stadio及Ansys结合实构法和虚构法所建高精度颌面部模型具有全面性、先进性和实用性,可以为进一步模拟口腔医学临床中的实际问题提供理论依据。     

颅内动脉瘤伴开窗畸形血流动力学数值模拟分析的初步研究

目的探讨构建颅内动脉瘤（IA）伴开窗畸形三维数字化模型的可行性,并建立三维有限元模型。方法选取1例前交通动脉瘤伴开窗畸形的急诊患者为研究对象,利用GELightspeed64排螺旋CT获得患者颅脑CT原始数据。应用Mimics软件连续读入DICOM格式的颅脑CT原始数据,采用阈值分割与手动分割相结合的图像处理方法得到最感兴趣部位,并选择3D重建按钮进行三维重建。再应用Geomagicstudio软件以“抽壳法”对三维重建模型的表面三角面片形态网格和血管壁截面作进一步优化处理,再现血管壁的真实形态。优化后的三维数字化模型以标准模板库（STL）格式保存并输出。应用CFX软件进行三维刚性模型的数值仿真,并分析与动脉瘤生长及破裂相关的血流动力学参数。结果联合应用Mimics软件和Geomagicstudio软件首次成功建立了IA伴开窗畸形的三维数字化模型。模型进一步生成三维有限元模型,并作了相关血流动力学分析,形象地显示了瘤中各区域动脉瘤壁的壁剪切力分布情况。在血流冲击瘤颈处,壁剪切力最大,瘤体次之;在瘤顶处剪切力最小;在开窗处,壁剪切力明显增大。结论借助可靠的CT成像技术和优化的建模方法,联合应用Mimics软件和Geomagicstudio软件可以成功建立IA伴开窗畸形的三维数字化模型,并分析动脉瘤各个区域和开窗处的血流动力学参数。     

基于数字虚拟人体血管的三维重建

[目的]探讨使用切片技术建立虚拟人体图库,重建人体血管三维图像的表面形状的方法．[方法]在目前的计算机装备基础上,结合计算机视觉、图像分割及图像配准等技术,重建人体血管的三维模型．[结果]通过滤镜除去噪点,提取边界,确定可见边界点,利用基于表面的三维重建方法重建后构成血管图像.     

基于正常人体资料建立胸腰椎单椎体压缩骨折三维有限元模型的方法与意义

目的 探讨基于正常人体资料建立胸腰段脊柱椎体压缩性骨折三维有限元模型的方法及临床意义.方法 将健康志愿者扫描所得的胸腰段210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,三维化处理后获得胸腰段三维几何面网格模型,直接导入Ansys划分体网格,再将体网格转入Mimics并根据CT值给予赋值,再次导入Ansys添加韧带、关节约束后生成三维有限元模型.在生成的模型上约束T12下端、在其上缘由前向后施加位移载荷,运算求解.将单纯T12椎体压缩性骨折患者的CT扫描图片按同法建立有限元模型,并将两骨折模型施加压力验证其有效性.结果 建立了外形逼真、生物力学特性全面的胸腰段脊柱椎体压缩性骨折三维有限元模型.结论 应用正常人体原始资料依据骨折受伤机制构建相应骨折有限元模型的方法科学有效.     

胸腰段骨质疏松三维有限元模型的建立及临床应用

目的:探讨利用螺旋CT建立骨质疏松腰椎三维有限元模型的高度数字化方法,为腰椎骨质疏松的生物力学试验提供标准模型。方法:一个有代表性的健康成年男性志愿者,范围从T11～L2,先行X线检查以排除可见的脊椎病变及损害。经螺旋CT沿横断面0.699mm层厚扫描,以jpg格式输出其断面图像并转入微机保存。利用三维重建软件Mimics建立T11～L2段正常脊柱骨性结构的三维模型,再经过自由造型系统进行表面光滑化处理及对0.699mm层厚引起的数据丢失予以修补。利用有限元软件Patran的前处理功能,在脊柱模型骨性结构的基础上,补充建立终板、椎间盘、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带等结构。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行智能有限元网格划分。结果:①正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分结果:利用三维重建软件Mimics和有限元软件Patran成功进行正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共276580个四面体单元,8532个六面体单元,673个杆单元,总计共95219个结点。建立的模型负荷正常椎体的几何特性;②骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立:利用有限元软件Patran的前处理功能,对不同组织的物理特性进行定义,皮质骨、终板、后部结构模量减少33%,松质骨减少66%,同时考虑髓核脱水,弹性模量增加1倍,符合真实的生物力学要求,真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性,成功建立骨质疏松腰椎三维有限元模型。结论:建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本,是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型,可应用于骨质疏松腰椎后凸成形术的评估。     

《第一军医大学学报》2003年第23卷总目次

专家论坛数字化虚拟人体的科学意义及应用前 钟世镇(193)探索经络本质的新途 邓亲恺(409)后“非典”时期“非典”的鉴别诊 蔡绍曦(535)专题报道数字化虚拟人体数字化虚拟人体数据获取的现状和对 钟世镇,原林(517)虚拟中国人男性一号(VCH—M1)数据集研 原林,唐雷,黄文华,等(520)虚拟中国人切削技术研 唐雷,原林,刘畅,等(524)建立数字化虚拟中国男性一号膝关节的有限元模 张美超…     

腰椎运动节段新型有限元模型研究

目的建立成年男性腰椎L4/5运动节段有限元模型,用于进一步的生物力学研究.方法将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX建模建立正常中国男性L4/5运动节段的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转移成有限元模型.结果建立了正常中国男性L4/5运动节段有限元模型,模型总节点数为2 120个,包括1 728个Solid单元,592个Area单元,50个Link单元.结论通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎运动节段的有限元模型,用于脊柱生物力学的研究.     

膝关节三维有限元模型的重建

通过MSC．MARC建立膝关节的三维有限元模型，为膝关节的创伤、骨折的力学分析及人工关节的开发提供方法学的支持。以螺旋CT得到整个膝关节的CT影像图，扫描层间距为1．0mm。以DICOM文件的数据点信息为数据源，通过相关软件读取DICOM数据文件，获得膝关节的二维CT影像，通过平面图形软件编辑和处理得到膝关节的边界，将边界曲线输入MSC．MARC中建立了膝关节三维有限元模型。通过MSC．MARC建立的三维有限元模型能够真实反应膝关节的解剖结构。     

立体三维膝关节模型的创建

目的本研究利用人体膝关节的CT/MRI二维断层扫描图片数据创建三维模型,并将重建的三维模型以IGES文件输出,可做人体结构的有限元分析等。方法使用逆向工程理论,Mimics逆向工程软件。结果研究人员可以根据特定人膝关节的CT/MRI影像的二维成像数据,通过Mimics逆向工程软件设计并创建三维膝关节模型。结论为膝关节模型数据库的建立提供了方法,给膝关节疾病的治疗,膝关节置换手术,膝关节假体设计提供临床上的精确数据,对假体、植入体的设计意义重大。     

个体化掌指关节假体三维建模及其髓内柄的计算机辅助设计

目的：自主研发掌指关节假体计算机辅助设计系统,为快速成型技术的个体化掌指关节假体的制造奠定基础。 方法：采用螺旋CT机对尸体手掌指关节进行层厚1 mm扫描,应用自行研发的数据格式转换软件3DMSR进行示指掌指关节三维重建,输入Surface 9.0软件进行髓内柄的计算机辅助设计。 结果：通过CT图像信息的矢量转换及计算机辅助设计,可见髓内腔呈现“漏斗形”,曲面编辑后的关节窝及关节头的假体柄长度分别为47.31和35.20 mm,假体柄符合髓腔大小,而且掌指关节三维重建模型符合人体生理解剖学形状。 结论：利用螺旋CT数据及相关的转化软件进行掌指关节的三维重建,运用工业化软件进行髓内柄的设计,获得精确的掌指关节假体三维实体模型,该模型可以应用于临床。     

Post-Operative Assessment of an Implant Fixation in Anterior Cruciate Ligament Reconstructive Surgery

The objective of this paper is to numerically simulate the behaviour of an anterior cruciate ligament (ACL) reconstructed knee using interference screw fixation under a single cycle loading or a cyclic loading test and to compare the numerical results with experimental tests using porcine samples of knee joint. A hyper-elastic material model was used to model the tendon graft and evaluate its elongation during continuous and cyclic tensile loading. The rigidity of the interference screw fixation was also examined using the finite element based numerical model. The finite element model uses the benefit of an anatomical 3D geometry of the tibial bone and tendon graft which was created from a CT scan of a patient.     

三维有限元分析内侧半月板全部切除后不同软骨缺损面积对膝关节应力的影响

目的  利用核磁共振成像（MRI）二维图像数据准确构建出膝关节三维有限元模型,采用有限元方法分析内侧半月板全部切除后股骨软骨缺损面积大小对膝关节应力变化的影响。方法  利用膝关节MRI图像建立包括股骨、胫骨、内外侧半月板、内外侧副韧带、前后交叉韧带、髌骨及髌韧带的仿真膝关节数字化模型,在内侧半月板全部切除后的仿真数字化模型上于股骨内侧髁部最容易损伤部位虚拟0.49、0.80、1.0、1.70、2.56及3.24 cm2大小的缺损模型,在股骨上施加1 150 N垂直压应力,类似于在步态周期中的伸直状态,主要分析膝关节软骨及半月板最大压应力与最大剪切应力。结果  内侧半月板全部切除后股骨内侧髁部软骨缺损对内外侧间室接触应力均有影响,但以内侧间室影响较为明显。结论  利用仿真膝关节数字化模型可以有效模拟正常膝关节生物力学变化及内侧半月板全部切除后缺损面积大小对膝关节应力变化的影响。

     

胆囊三维有限元力学模型的构建

目的 建立人胆囊三维有限元力学模型,用于胆囊的非侵害性生物力学研究和手术模拟.方法 根据胆囊的解剖学数据,在参数化CAD软件PRO/E中建立胆囊的三维交互式CAD模型,以IGES格式导入到通用有限元分析软件ANSYS中,以20节点SOLID95单元划分几何模型并赋材料属性建立有限元模型.模拟胆囊底受钳夹的工况,分析胆囊在位移载荷下的形变和应力分布.结果 成功建立了具有几何相似性和物理相似性的三维胆囊有限元模型,包含了胆囊底、体、颈结构,共14 520个单元,82 524个节点.模拟胆囊底受钳夹工况时,形变集中在胆囊底顶部区域,而应力集中在胆囊床边缘和胆囊颈与胆囊管部.结论 有限元法可模拟胆囊在手术中的力学响应,可用于胆囊的生物力学研究.     

激光三维扫描系统重建下颌骨

目的 利用激光三维扫描技术重建下颌骨三维结构,探索建立有限元几何模型的新方法。方法 利用激光三维扫描系统,多次、分区域地扫描人体下颌骨标本并形成下颌骨表面轮廓点云文件,然后对扫描点云文件进行拼接,重建下颌骨表面轮廓。结果 建立了一个人体下颌骨骨性表面的三维模型。此模型造型逼真,并可以适当的文件格式应用于有限元结构力学仿真分析。结论 在生物力学仿真实验中,激光三维扫描系统可以用于建立有限元几何模型,可解决常规CAD(computer aided design)方法难以建立非规则人体结构模型这一难题。     

激光三维扫描系统重建下颌骨

目的 利用激光三维扫描技术重建下颌骨三维结构，探索建立有限元几何模型的新方法。方法 利用激光三维扫描系统．多次、分区域地扫描人体下颌骨标本并形成下颌骨表面轮廓点云文件，然后对扫描点云文件进行拼接，重建下颌骨表面轮廓。结果 建立了一个人体下颌骨骨性表面的三维模型。此模型造型逼真，并可以适当的文件格式应用于有限元结构力学仿真分析。结论 在生物力学仿真实验中，激光三维扫描系统可以用于建立有限元几何模型，可解决常规CAD(computer aided design)方法难以建立非规则人体结构模型这一难题。