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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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…     

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。     

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。     

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。     

腰椎间盘膨出节段数字模型及三维可视化

背景：从生物力学入手研究腰椎间盘膨出意义重大。目的：探讨构建腰椎间盘膨出节段数字模型及三维可视化研究方法。方法：基于L3～4的16排螺旋CT连续断层114层二维图像,Mimics软件分别对腰椎骨性结构及各种软组织进行重建,并导入有限元分析软件进行模型验证。结果与结论：建立了L3～4间盘膨出节段三维数字模型,包括两个椎体、终板、纤维环、髓核及6种韧带,数字模型外形逼真,实体感强,可进行三维测量、复位、手术模拟以及输出用作CAD（计算机辅助设计）,RP（快速成型）及FEA（有限元分析）研究。说明薄层CT,Mimics软件阈值分割、区域增长使数字模型的建立更为精确、快捷,数字模型可被输出用于进一步研究。     

管道铸型标本断层摄影三维重建盆腔动脉

背景：以往的影像诊断中,主要观察二维图像,随着医学科技的发展及诊疗设备的不断更新,在三维空间里研究人体内小血管的分布,已成为今后解剖学研究的必然。目的：利用聚乙烯醇-氧化铈血管造影对盆腔动脉进行三维重建,为血管介入提供可靠的解剖学依据。方法：纳入非妇科疾病死亡成人新鲜标本2例,预处理标本,经腹主动脉注入聚乙烯醇-氧化铈对比剂,用美国QE Lights Speed VCT 64层CT连续扫描,利用Mimics软件进行三维重建。观察盆腔动脉的各级分支的出现以及管壁清晰度、饱满度。结果与结论：横断面原始图像及其三维图像重建均达到满意的效果,可清晰显示4级以分支,重建后的模型可以任意三维旋转。说明聚乙烯醇一氧化铈血管造影术是盆腔动脉进行三维重建的一种有效技术方法,对妇产科血管介入技术起指导性作用。     

基于CT图像建立的小儿枢椎齿状突病理性骨折三维数字化模型

背景：在进行寰枢椎椎弓根内固定过程中,由于儿童的骨骼局部解剖结构复杂及椎弓根结构常存在变异,且置钉时极易损伤椎动脉或脊髓,导致严重后果。目的：基于CT扫描图像建立精确的小儿枢椎齿状突病理性骨折数字化模型,评估其在临床诊断及内固定治疗中的应用效果。方法：将1例2岁枢椎齿状突病变患儿的CT扫描结果导入三维建模Simpleware软件中进行三维重建,用逆向工程与快速成型原理制作个体化的骨骼模型实物并经树脂后处理,利用该模型指导内固定治疗。结果与结论：成功建立了小儿寰枢椎及齿状突的三维立体模型,可直接观察病变部位,精确测量置钉入点、角度及其他数据,对内固定方案设计起到了良好的指导作用,从而提高了寰枢椎椎弓根内固定治疗的安全性和准确性。     

快速成型钛板结合自体骨移植修复犬下颌骨缺损

背景：近年来,快速成型技术被迅速的应用于医学重建领域,利用快速成型技术可为组织缺损患者制作个体化的植入物,可达到空间尺寸上的精确修复。 目的：利用快速成型技术制作个体化钛板,结合自体松质骨移植,修复犬下颌骨节段性缺损。 方法：9只杂种犬行螺旋CT扫描获取头颅骨骼数据,建立数字3D模型,在模型上模拟右侧下颌骨体部切除术,并制作个体化板状修复体,经快速成型加工制造,获得个体化的钛板。然后行动物实验,手术制造右侧下颌骨体部4 cm长节段性缺损,同期手术切取自体髂骨块固定于快速成型钛板的舌侧,修复下颌骨缺损。采用核医学、力学、影像学和组织学等方法评估骨移植后的转归。 结果与结论：应用快速成型支架重建了左右对称的下颌骨形态,自体髂骨移植后逐渐皮质化,植骨和钛板之间形成纤维结缔组织间隔层。在下颌骨缺损修复中,应用快速成型钛板能够达到形态和功能兼顾的效果。