CN101488236B - 漏斗胸矫形手术仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种漏斗胸矫形手术仿真方法，通过对胸廓三维可视化硬骨模型与肋软骨模型分别进行面网格划分，并对网格进行优化；在网格优化的基础上采用网格转换，将胸廓模型由面网格转换为体网格；对肋骨、肋软骨、胸骨分别进行材料赋值，并将各部分骨骼体网格模型进行装配，得到完整的胸廓三维力学模型；确定边界条件与加载力矩，对胸廓模型进行有限元分析，得到在不同外力作用下，各部分骨骼的应力、应变与位移情况，对漏斗胸手术的切口位置、支撑板材料、固定方法、支撑力矩进行仿真，使漏斗胸手术的成功率由现有技术的70～90％提高到98％以上。

Description

漏斗胸矫形手术仿真方法

技术领域

本发明涉及一种矫形手术仿真方法，特别是漏斗胸矫形手术仿真方法。

背景技术

漏斗胸是胸骨部分向内凹陷，相邻肋软骨也随其凹陷，外观呈漏斗的先天性胸廓畸形。

公知的畸形胸骨矫正手术为Nuss微创矫形手术，对象多为肋软骨尚未钙化的幼儿。术前对患儿胸骨凹陷程度进行诊断，确定其漏斗胸指数，根据医师经验选择合适的支撑板，将其弯曲到一定程度，在胸腔镜下通过微创手术植入患者体内，将畸形的肋软骨抬起。

Nuss手术存在以下几个不足：(1)支撑板的固定位置主要依赖医生的临床经验，没有科学、精确的分析系统进行辅助定位，从而导致部分患儿在术后因胸廓受力挤压产生支撑板移位，引起心脏和大血管的损伤；(2)不同的患儿其漏斗胸凹陷程度不同，使用不同形状的支撑板，其受力方向和大小也千差万别。若只凭医师经验，易导致胸腔内脏器受压，产生并发症；(3)一次手术成功率约70～90％，手术失败则必须进行二次手术，加大了患者与其家属的痛苦和经济负担。

发明内容

为了克服现有技术手术成功率低的不足，本发明提供一种漏斗胸矫形手术仿真方法，针对漏斗胸胸廓的3D可视化模型，采用有限元法对胸骨、肋软骨、肋骨进行应力、应变、位移分析与仿真，可以提高漏斗胸手术的成功率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种漏斗胸矫形手术仿真方法，其特点是包括以下步骤：

(a)对漏斗胸肋骨/胸骨模型与肋软骨模型分别进行三角形面网格划分，得到漏斗胸肋骨/胸骨与肋软骨的三维网格模型；

(b)对模型中的三角形进行检测，若劣等三角形数量超过总数的0.05％时，进行网格优化；在骨骼平滑区域，增大三角形单元尺寸，减少网格数量；在骨骼尖锐区域，减小三角形单元尺寸，增加网格数量；

(c)对优化后的面网格模型沿其划分的边界线，深入模型内部进行划分，通过分割实体和布置种子来控制单元的密度和位置，将三角形单元转变为四面体单元，将面网格模型转换为体网格模型；

(d)对每个体网格元素计算灰度值，并确定相应的材料力学参数，即为模型中的肋骨、胸骨、肋软骨赋值；

肋骨、胸骨、肋软骨对应的骨骼密度是：D＝1.122×HU+47式中，HU是模型中肋骨、胸骨、肋软骨的灰度值；其弹性模量是：E＝2.20×D-209；(e)将肋骨/胸骨模型与肋软骨模型进行装配，得到一个完整的漏斗胸胸廓三维力学模型；

(f)对漏斗胸胸廓三维力学模型施加边界条件和约束条件，将每个胸椎表面所有节点的自由度施加位移约束使其固定不动，对胸部凹陷部分施加向外垂直载荷，用以模拟手术中支撑板植入幼儿胸廓的情况，载荷类型取集中力，通过有限元分析，获得漏斗胸三维力学模型在静态载荷下的应力、应变与位移的分布；

(g)根据不同静态载荷下胸廓模型的应力、应变与位移分布，研究手术切口位置、支撑板材料、固定方法以及支撑力矩，仿真植入支撑板后，肋骨、肋软骨、胸骨及支撑板的受力情况及术后效果，辅助医师为漏斗胸患儿确定手术方案。

本发明的有益效果是：本发明针对漏斗胸胸廓的3D可视化模型，采用有限元法对胸骨、肋软骨、肋骨进行应力、应变、位移分析与仿真，漏斗胸手术的成功率由现有技术的70～90％提高到98％以上。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明漏斗胸矫形手术仿真方法流程图。

图2是本发明漏斗胸矫形手术仿真方法所用漏斗胸肋骨/胸骨三维网格模型。

图3是本发明漏斗胸矫形手术仿真方法所用漏斗胸肋软骨三维网格模型。

图4是图2中胸骨模型网格优化后的局部放大图。

图5是图2与图3模型装配后的示意图。

图6是对图5所示模型施加200N载荷时模型的应力图。

图7是对图5所示模型施加400N载荷时模型的应力图。

图8是对图5所示模型施加200N载荷时模型的应变图。

图9是对图5所示模型施加400N载荷时模型的应变图。

图10是对图5所示模型施加200N载荷时模型的位移图。

图11是对图5所示模型施加400N载荷时模型的位移图。

具体实施方式

参照图1～11。首先分别对漏斗胸肋骨/胸骨的3D模型与肋软骨3D模型进行面网格划分、网格优化；将面网格模型转换为体网格模型，并为不同的骨骼赋予材料属性，将两个模型装配成一个完整的三维力学模型；定义边界条件、约束条件与载荷，对该模型进行有限元应力、应变及位移分析；最后根据有限元分析结果，对比分析各漏斗胸手术方案的术后效果，确定漏斗胸手术的临床方案。本方法具体实施步骤如下：

1)在有限元软件中，对漏斗胸的肋骨/胸骨模型与肋软骨模型分别进行初步的面网格划分，将模型表面划分为数十万个小三角形，得到漏斗胸肋骨/胸骨与肋软骨的三维网格模型；

2)检验三维网格模型中的三角形，以三角形的高度对底边的比值(height/base)为参数，height/base值近似为0的三角形为劣等三角形，height/base值近似为1的三角形为优等三角形，以此标准衡量每个三角形的质量，进而评估初步网格划分的质量。若劣等三角形数量大于总数的0.05％时，须进行网格优化。在优化过程中改变网格划分方法，重新进行面网格划分，保留优等三角形，除去劣等三角形及多余的模型表面，并再次检验重新划分的三角形，直至劣等三角形数量低于总三角形数量的0.05％。网格优化后，骨骼较为平滑的区域，三角形单元尺寸较大，网格数量较少；骨骼较为尖锐的区域，三角形单元尺寸小，网格数量增多；

3)对优化后的面网格模型沿其划分的边界线，深入模型内部进行划分，通过分割实体和布置种子来控制单元的密度和位置，将三角形单元转变为四面体单元，从而使面网格模型转换为体网格模型；

4)根据医学研究中小儿胸廓各部分骨骼的特性，对每个体网格元素计算灰度值，确定相应的材料力学参数。通过对数十组小儿胸廓CT图片中肋骨、胸骨、肋软骨的灰度值，结合与其对应的骨骼密度与弹性模量，可推导出灰度值、骨骼密度与弹性模量三者间的关系。对新的小儿漏斗胸病例，可通过检测CT图片中肋骨、胸骨、肋软骨的灰度值，根据公式(1)(2)得出对应的骨骼密度：

D＝1.122×HU+47          (1)

式中，HU为模型中肋骨、胸骨、肋软骨等骨骼的灰度值，D为骨骼密度。再根据公式(2)，得出其弹性模量：

E＝2.20×D-209           (2)

式中，E为骨骼的弹性模量，而肋骨、胸骨、肋软骨的另一力学参数泊松比λ均取0.31。需要特别注意，肋骨、胸骨、肋软骨的灰度值应为原始漏斗胸CT图片中骨骼的灰度值，若CT图片经过图像预处理，如阈值拉伸等，则需对灰度值进行相应的修正。至此，完成骨骼材料属性的赋值；

5)将肋骨/胸骨模型与肋软骨模型进行装配，得到一个完整的漏斗胸胸廓三维力学模型。肋骨/胸骨模型与肋软骨模型之间有23个接触点，需对接触点逐个检查，保证接触点严密结合，否则影响有限元分析结果的精确性；

6)对漏斗胸胸廓三维力学模型施加边界条件和约束条件，将每个胸椎表面的所有节点的自由度施加位移约束使其固定不动，对胸部凹陷部分施加向外垂直载荷，用以模拟手术中支撑板植入幼儿胸廓的情况，载荷类型定义为集中力，通过有限元分析，获得漏斗胸三维力学模型在静态载荷下的应力、应变与位移的分布。为保证分析过程能够顺利完成，在分析前须对模型进行以下四个方面的检查：a.单位是否统一，须统一使用国际单位制；b.单元材料设置是否正确；c.几何模型是否存在缺陷；d.对约束和载荷进行校验。

图6～图11分别为加入200N载荷与加入400N载荷时，三维胸廓模型的应力、应变及位移图。颜色越浅，说明应力、应变及位移越大。由图中可看出，应力主要集中于背部肋骨与脊椎交汇处；应变主要集中于背部、肋软骨部位；位移最大处为胸骨下端，即施加载荷处。

根据不同静态载荷下胸廓模型的应力、应变与位移分布，结合患者胸骨凹陷程度、支撑板材料特性、漏斗胸三维模型与有限元分析结果，对不同切口位置、支撑板规格尺寸、固定方法的手术方案，预测手术后小儿的肋骨、胸骨、肋软骨及支撑板的受力情况，辅助医师对多个漏斗胸手术方案进行比较，提高手术的一次矫形成功率。经临床应用，漏斗胸手术的成功率均在98％以上。

Claims (1)

1.一种漏斗胸矫形手术仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)对漏斗胸肋骨/胸骨模型与肋软骨模型分别进行三角形面网格划分，得到漏斗胸肋骨/胸骨与肋软骨的三维网格模型；

(b)对模型中的三角形进行检测，若劣等三角形数量超过总数的0.05％时，进行网格优化；在骨骼平滑区域，增大三角形单元尺寸，减少网格数量；在骨骼尖锐区域，减小三角形单元尺寸，增加网格数量；

(c)对优化后的面网格模型沿其划分的边界线，深入模型内部进行划分，通过分割实体和布置种子来控制单元的密度和位置，将三角形单元转变为四面体单元，将面网格模型转换为体网格模型；

(d)对每个体网格元素计算灰度值，并确定相应的材料力学参数，即为模型中的肋骨、胸骨、肋软骨赋值；

肋骨、胸骨、肋软骨对应的骨骼密度是：

D＝1.122×HU+47

式中，HU是模型中肋骨、胸骨、肋软骨的灰度值；其弹性模量是：

E＝2.20×D-209；

(e)将肋骨/胸骨模型与肋软骨模型进行装配，得到一个完整的漏斗胸胸廓三维力学模型；

(f)对漏斗胸胸廓三维力学模型施加边界条件和约束条件，将每个胸椎表面所有节点的自由度施加位移约束使其固定不动，对胸部凹陷部分施加向外垂直载荷，用以模拟手术中支撑板植入幼儿胸廓的情况，载荷类型取集中力，通过有限元分析，获得漏斗胸三维力学模型在静态载荷下的应力、应变与位移的分布；

(g)根据不同静态载荷下胸廓模型的应力、应变与位移分布，研究手术切口位置、支撑板材料、固定方法以及支撑力矩，仿真植入支撑板后，肋骨、肋软骨、胸骨及支撑板的受力情况及术后效果，辅助医师为漏斗胸患儿确定手术方案。

Images