基于逆向工程人体股骨建模及有限元分析

有限元分析流程示例

1 股骨扫描数据处理在数据收集方面，首先获取患者的 CT 图像，并将其保存为 DICOM 格式。DICOM 软件是目前世界上最尖端的医学影像技术之一，在放射医学、放射诊断、CT/MRI、心血管成像等方面都有广泛的应用。所有患者的治疗结果都以 DICOM 的形式存在，其中包含患者的姓名、年龄、性别和测试所用的设备等。该系统采用了统一的 DICOM 格式，方便了医师和科研人员使用相应的软件进行分析和发现。本文选择上述格式的足部骨折 CT 扫描数据，其层厚和层间可通过机械调节，但由于不同的仪器，其分辨率可能存在差异，扫描的图片数目取决于患者的具体情况。该案例是从医院获取的 CT 图像，厚度 0.5 mm，共 245张，用DICOM格式保存，并在Mimics 20.0中进行编辑[4]。具体的股骨CT图如图2所示。

2 图像处理使用 Mimics 20.0 打开文件，灰度可以反映出组织和器官的吸收情况，CT 图像中的黑色阴影代表着低密度区，而白影代表了诸如骨头之类的高吸收区。CT 图像的分辨率很高，不同的组织，密度也是不同的，虽然在软组织密度上没有太大的差别，但也有影像的反差。通过软件设置门限和窗口宽度，最后可以得到一个蒙板，在一定的阈值范围内，将带有色彩的像素点放入蒙板中。不同的人体组织具有不同的密度，其对应的灰度值也是不同的，因此利用该特点可以将不同的人体组织进行分类和提取。在 Mimics 20.0 中，通常将灰度值方法用于骨头的图像分割，通过设置一定的灰度值来进行图像的分割，并利用该软件从对应的 CT 图像中提取出与之相符的组织信息。这些材料的具体灰度显示如表1所示[5]。表1　物质灰度值表物质 灰度值软组织 -700~+225脂肪 -200~-50水 0肌肉 -5~+135骨松质 +150~+661骨密质 +662~+2 400皮肤 -700~-150因为噪声点和图像质量的问题容易造成缺陷和空洞，因此要去除噪声并进行结构分割，以避免这些问题对以后的影响。对蒙板进行编辑的方法有：绘画、擦除、孔洞填充、局部阈值分割、动态区域增长和布尔操作。采用绘制、擦除等方法，对 CT 影像进行扫描，绘制出骨块，并将其填充，删除不想要的部分，完成对蒙版的编辑。利用Mimics 20.0的calculate3D工具，对蒙版中的像素点进行自动计算，通过计算，可以直观地观察到立体图像，并能检验模型的正确性。当出现不规则的影像时，再进行蒙板的编辑，直至达到与真实的股骨形态相符的状态，再用光滑的处理工具对模型进行简单处理，从而得到STL格式的档案，为之后的工艺优化提供了依据[6]。 

3 模型处理通过 Mimics 20.0 的 3D 模型处理工具获得了股骨的 3D 模型，本文旨在引导外科医生并提供个体化的仿生骨。但经过 Mimics 20.0 处理后的 3D 模型仍然有很多缺陷，例如不规则三角面、钉子、孔洞等。而 Geomagic Wrap 是一款具有很好的曲面优化能力的软件，可以处理点和曲线、精确曲面、参数曲面、采集、多边形处理等问题，并且可以对各种形状的数据进行处理。通过将模型表面修整为一个整体，然后对其进行加工，以达到平滑的效果，从而更好地引导临床试验[7]。将 3D 模型以 STL 的形式从 Mimics 20.0 的单元长度中的STL形式输入到Geomagic Studio 2013软件中，由于骨头的表面是不平滑的，并且整体的模型被分割成了很多碎屑。为此，必须先对其进行修补，然后通过网格医生、填充孔、松弛平滑、去除特征、调整边界、修补等操作来实现表面的最优化。特定的模型处理流程图如图3所示，经加工的股骨模型图如图4所示。1）修复：第一，在这个时候，模型的曲面更加平滑，空穴已经被填满，可以通过软件中的简单指令来减少曲面上的三角数量。采用封闭流形的方法，则会将其包装为固体，而封闭的流形是由 3D 印刷中存在的一些结构问题而造成的。第二，在没有合适的骨松替代物之前，人体的机械强度要比其他材料大得多。在不损害外形的前提下，对于某些微小的组织和骨头，可以采用剪切指令的方式进行修补，包括利用平面、曲线、薄片等进行切割。2）平滑：在多次修复和常规修复之后，该方法得到了很好的优化，仅在细节部分做了最终平滑。包括松弛、砂纸、快速平滑等指令。放松指令可以将单个的多边形角最小化，从而使多边形的网格变得光滑，并对微小部分进行抛光直到两个动作都放松，对于更光滑的多边形网和均匀的三角形网可以使用更快的光顺法和能量法。

4 逆向处理通过对该模型进行修补，得到了更加平滑的外形，其组织构造与真正的骨架非常接近。再通过Geomagic 程序将 STL 模式转换为三维模型，并进一步进行精确的表面处理，可以得到更好的 NURBS 表面。精确表面的最优运算过程如下：1）检测曲线或检测轮廓线：这一步的指示就是检测曲线或检测轮廓线，轮廓线是确定弯曲表面和产生 NURBS 表面的必要条件，而控制命令可以设置轮廓线的最短距离。将等高程曲线调到接近于实际的位置，再利用软件进行插补运算，利用人工增加的等高线，使得曲线更加接近于曲线。2）构造曲面片材：在构造曲面片材时，必须根据具体的条件构造出一块曲面，若表面太大会导致模型细节变形，若表面太小则无法确保其连续性。3）结构网格：网格是基于弧形网格的，其基本原理与弧形网格相似，可以将网格分割得更好，数量也更多，更利于NURBS曲线的拟合[8]。4）将表面进行合成。通过以上的处理，获得NURBS 表面的模型 [9]。并将其作为一个物理模型，通过精确的表面积的最优化，得到了一个实体的形状，并以 STL、STP、IGES 的格式显示出来，具体模型图如图5所示。

5 有限元分析将模型存储成 IGES 格式导入 Ansys 软件中，将网格自动划分，将模型按照正常站立位人体力线放置，使股骨模型与人体的中轴线成 15° 角，在股骨头部加入 700 N 的载荷，等效应力分布图如图6 所示 [10]

参考文献：略

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