CN105373658A - 一种基于人颅颌面骨的三维有限元模型的建模方法 - Google Patents

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谭颖徽
刘煜
杨资洋
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Abstract

本发明涉及医学研究建模领域，具体为一种基于人颅颌面骨的三维有限元模型的建模方法，把人头颅分成三部分，对每一个部分分别生成三维实体模型，再重新组合成一个实体整体，最终通过该实体整体生成人头颅的三维有限元模型；其中，三部分具体如下：下颌骨分离形成单独的面网格模型，再将剩余部分分为颅顶和面中部两块。本发明的有益效果如下：1、创建了头面部撞击伤三维有限元模型，能模拟出接近真实情况的骨折效果；2、为头面部撞击伤的研究提供完善的有限元分析工具；3、为复杂三维有限元模型的建模提供一种解决方案，即分割再组合的建模方法。

Description

一种基于人颅颌面骨的三维有限元模型的建模方法
技术领域
本发明涉及医学研究建模领域，具体为一种基于人颅颌面骨的三维有限元模型的建模方法。
背景技术
颌面部是人体暴露的部位，无论是战时还是平时，都是易遭受外力打击的部位，即使人体防护装备不断更新改进，但颌面部的防护仍然是比较薄弱的部位。和平时期，颌面部遭受外力打击最常见于交通事故伤。而颌面部紧邻颅脑，在颌面部遭受撞击时，同时伴发的颅脑损伤是导致伤员死亡的最主要原因之一，因此研究颌面部撞击对颅脑造成的损伤有利于我们提高颌面部撞击伤的救治成功率，能为我们研究更加有效的防护装置提供更多的资料和数据。
有限元分析法作为生物力学研究的最重要的方法之一，目前已被广泛应用于人体生物力学的研究。其核心思想是把整个物体结构看作是由有限个细小单元相互连接而成的几何实体，各单元力学特征的总装效果反映结构的整体力学特性。能够分析物体内及物体间的复杂力学过程，预测力学作用产生的效应(如模型的应力、应变、形状、温度等的变化)，并且能够在电脑上直观显示或输出计算结果以供分析，具有可重复性好、节约实验成本、实验条件易控制等优点，可以弥补传统的撞击伤模型在致伤过程研究中的不足。
现有技术一的技术方案
本发明前期完成人下颌骨枪弹伤三维有限元模型，建模方法：CT扫描人下颌骨，获得dicom数据，导入mimics软件建立下颌骨三维数字模型，并进行面网格划分，然后导入ANSA软件中进行体网格划分，手动修改畸形网格，由封闭表面构建实体，生成三维实体有限元模型。
现有技术一的缺点
1、只涉及下颌骨，形态相对较规则，结构简单；
2、用于枪弹伤的有限元力学分析，属于高速撞击的范畴，不适用低速撞击的仿真模拟；
现有技术二的技术方案
CT扫描颅骨，并使用VworksTM4.0Surgery软件进行分割，重建出颅骨三维面网格模型，然后以VRML格式导入到ANSYSICEMCFD12.0.1(ANSYSInc.,Canonsburg,PA,USA)软件中生成体网格模型。
现有技术二的缺点
1、只是用于静态的力学传导显示及分析，无法模拟出撞击后的骨折效果；
2、仍然不是完整的颅面部模型。
本发明拟用有限元方法进行颌面部撞击伤对颅底损伤的动态仿真模拟。首先建立人头颅的三维有限元模型。采用CT扫描人头颅，获取原始数据并用三维重建软件重建出人头颅及颌面部骨组织三维模型，以此三维模型生成三维有限元模型。因人颌面部及颅骨结构复杂，形态极不规则，尝试用各种有限元前处理软件都无法按照常规方法直接生成生成人颅面三维有限元模型，主要是很多颅脑内部结构存在畸形的网格，自相交面等无法手动修复，生成的三维有限元模型无法用于有限元计算。因此，如何把人颅颌面复杂而不规则的结构构建成能用于有限元计算和分析的三维有限元模型成为必须解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于人颅颌面骨的三维有限元模型的建模方法，构建可用于撞击伤的有限元计算分析的人头颅三维有限元模型。
为了解决以上问题，本发明采用的技术方案如下，一种基于人颅颌面骨的三维有限元模型的建模方法，包括以下步骤：把人头颅分成三部分，对每一个部分分别生成三维实体模型，再重新组合成一个实体整体，最终通过该实体整体生成人头颅的三维有限元模型；
其中，三部分具体如下：下颌骨分离形成单独的面网格模型，再将剩余部分分为颅顶和面中部两块。
作为优选，具体方法步骤如下：
S1.进行头颅CT扫描，得到原始CT数据，以DICOM格式导出；
S2.将获得的数据导入医学影像控制软件中，通过阈值分割，重建出人颅颌面骨面网格三维模型；
S3.使用图像分割工具将下颌骨分离形成单独的面网格模型，再将剩余部分分为颅顶和面中部两块，分别形成独立的面网格模型；
S4.分别将独立的三部分面网格模型导入逆向工程软件中修复畸形网格，消除多余的几何点、面，修复自相交的面和线，调整网格大小和质量；
S5.将修复好的面网格模型进行曲面生成，并修复面和缝隙，生成NUBRS曲面，并以此创建各部分三维CAD实体模型；
S6.将生成的三部分三维CAD实体模型分别导入软件，按照分割前的位置和形态进行组装，形成装配体；
S7.将装配体导入有限元前处理软件中，分别划分体网格，手动修复颅顶与面中部之间的缝隙，设置下颌骨髁状突与颅底关节窝为铰链连接。
本发明的有益效果如下：1、创建了头面部撞击伤三维有限元模型，能模拟出接近真实情况的骨折效果；2、为头面部撞击伤的研究提供完善的有限元分析工具；3、为复杂三维有限元模型的建模提供一种解决方案，即分割再组合的建模方法。
附图说明
图1为下颌骨枪弹伤三维有限元模型；
图2为A.Schaller,C.Voigt等完成的人颅颌面骨的三维有限元模型；
图3为人颅颌面骨面网格三维模型；
图4为软件分割后的人颅颌面骨面网格三维模型；
图5为面中部骨的面网格模型在逆向工程软件中进行修复和调整；
图6为颅顶骨的面网格模型在逆向工程软件中进行修复和调整；
图7为下颌骨面网格模型在逆向工程软件中进行修复和调整；
图8为面中部骨三维CAD实体模型；
图9为颅顶骨三维CAD实体模型；
图10为下颌骨三维CAD实体模型；
图11为颅顶、面中部、下颌骨三维实体模型形成装配体；
图12为人颅颌面骨完成体网格划分并生成三维有限元模型。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
一种基于人颅颌面骨的三维有限元模型的建模方法，包括以下步骤：
实施例：
(1)薄层CT扫描人头颅，得到原始CT数据，以DICOM格式导出；
(2)将dicom数据导入mimics15.0软件(Materialise'sinteractivemedicalimagecontrolsystem)，通过阈值分割，(mimics15.0自带有自动阈值分割工具，选择bone选项，软件自动生成骨组织的mask，选择此mask后点击calculate3D即可)重建出人颅颌面骨面网格三维模型；
(3)使用图像分割工具将下颌骨分离形成单独的面网格模型，再将剩余部分分为颅顶和面中部两块，分别形成独立的面网格模型；
(4)分别将独立的三部分面网格模型导入逆向工程软件Geomagicstudio2013中修复畸形网格，消除多余的几何点、面，修复自相交的面和线，调整网格大小和质量；
(5)将修复好的面网格模型进行曲面生成，并修复狭长的面和缝隙，生成NUBRS曲面，并以此创建各部分三维CAD实体模型；
(6)将生成的三部分三维CAD实体模型分别导入solidworks软件，按照分割前的位置和形态进行组装，形成装配体；
(7)将装配体导入有限元前处理软件Hypermesh中，分别划分体网格，手动修复颅顶与面中部之间的缝隙，设置下颌骨髁状突与颅底关节窝为铰链连接。
其中，mimics15.0主要是将CT扫描所获取的dicom数据读取并显示，通过阈值分割功能将骨组织单独显示出来，并进行三维重建生成面网格三维模型即STL文件，把生成的STL文件分割成三部分；geomagic软件主要是对生成的STL文件进行面网格的重新划分，修正存在错误和缺陷的面网格，并将面网格模型转换成三维实体模型；solidworks主要是将分割后的三部分分别形成的三维实体模型进行装配还原成一个整体的三维实体模型；hypermesh是对装配还原成一个整体的三维实体模型进行网格划分和网格的修复，生成可用于有限元计算的三维有限元模型。因此，具有以上相应的功能的软件都是可替换的。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于人颅颌面骨的三维有限元模型的建模方法，其特征在于，把人头颅分成三部分，对每一个部分分别生成三维实体模型，再重新组合成一个实体整体，最终通过该实体整体生成人头颅的三维有限元模型；
其中，三部分具体如下：下颌骨分离形成单独的面网格模型，再将剩余部分分为颅顶和面中部两块。
2.根据权利要求1所述的一种基于人颅颌面骨的三维有限元模型的建模方法，其特征在于，具体方法步骤如下：
S1.进行头颅CT扫描，得到原始CT数据，以DICOM格式导出；
S2.将获得的数据导入医学影像控制软件中，通过阈值分割，重建出人颅颌面骨面网格三维模型；
S3.使用图像分割工具将下颌骨分离形成单独的面网格模型，再将剩余部分分为颅顶和面中部两块，分别形成独立的面网格模型；
S4.分别将独立的三部分面网格模型导入逆向工程软件中修复畸形网格，消除多余的几何点、面，修复自相交的面和线，调整网格大小和质量；
S5.将修复好的面网格模型进行曲面生成，并修复面和缝隙，生成NUBRS曲面，并以此创建各部分三维CAD实体模型；
S6.将生成的三部分三维CAD实体模型分别导入软件，按照分割前的位置和形态进行组装，形成装配体；
S7.将装配体导入有限元前处理软件中，分别划分体网格，手动修复颅顶与面中部之间的缝隙，设置下颌骨髁状突与颅底关节窝为铰链连接。
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