CN105740533A

CN105740533A - 用于截骨矫形的ct灰度-材料属性赋值有限元建模方法

Info

Publication number: CN105740533A
Application number: CN201610058912.3A
Authority: CN
Inventors: 欧阳汉斌; 黄文华; 谢普生; 钱堃; 杨洋; 黄华军
Original assignee: Southern Medical University
Current assignee: Southern Medical University
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: CN105740533B

Abstract

一种用于截骨矫形的CT灰度?材料属性赋值有限元建模方法，（1）骨骼三维模型重建，（2）骨骼表面模型的曲面构造与实体化，（3）骨骼实体模型的截骨分割；（4）未发生位置变化的骨骼部件实体模型的网格划分与输出，（5）存在位置变化的骨骼部件实体模型的位置调整与基准参考模型的建立，（6）基于CT图像灰度?材料属性经验公式的网格模型赋值，（7）骨骼部件网格模型的位置调整与有限元建模前处理，得到最终的骨骼有限元模型。本发明能够实现骨骼部件模型位置任意调整而同时具备基于灰度赋值的非均匀单元材料属性，具有模型材质高度还原、操作简单和有限元计算结果精确等特点。

Description

用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法

技术领域

本发明涉及骨生物力学有限元分析技术领域，特别是涉及需要对骨骼空间位置或形态学变化的CT灰度赋值有限元建模方法。

背景技术

准确的材料参数赋值是确保有限元模型计算准确性的关键因素。目前，对于骨骼模型的材料参数赋值主要分为两大类，一类是采用均一赋值方法，另一类是根据骨骼模型的CT图像灰度进行空间配准来完成非均匀赋值。均一赋值的方法是将骨骼组织视为均匀的材料属性，粗略的将具有较高弹性模量的皮质骨和较低弹性模量的松质骨分别赋予一种均一的弹性模量参数，该方法操作简便、快速，模型运算过程中占用的计算机运算资源较少，并且可以灵活进行骨骼模型的各种位置变换操作，如旋转截骨、内外翻截骨以及模拟内固定手术等，完全不受原有二维CT图像的空间限制。然而该方法因简化了材料赋值操作，并不符合正常人体骨骼非均匀材料属性分布的特点，以此所获得的有限元分析结果准确性较低，难以反映骨骼受力后的真实应力应变分布情况。

另一种骨骼有限元建模的材料属性赋值方法为基于CT图像灰度-材料属性关系公式的原位赋值方法。该方法要求骨骼模型的空间坐标位置须和原有CT图像所覆盖的范围保持一致，在对骨骼模型进行网格划分以后，未发生任何位置和形状变化的网格模型重新被导回原有CT图像的范围，如此，现有的三维重建软件可根据CT图像-网格单元进行空间位置的一一配对融合，经过灰度公式转换后的非均匀单元弹性模量数值将被赋予到该空间位置的单元中，使得整个骨骼模型的不同部位的单元根据不同的部位的CT图像灰度获得相应大小的弹性模量，从而使整个骨骼模型的材料属性分布更符合人体骨骼的分布规律。采用该赋值的有限元建模方法所计算得到的结果则具有更高的准确性。然而，这一方法同样存在其局限性，对于需要经过特殊变换操作的骨骼模型如旋转截骨和内外翻截骨，不可避免的使模型本身发生空间位置的变化，骨骼各个部位以新的相对位置关系导入到原有的CT图像范围内的时候，原有的CT图像灰度-骨骼模型网格单元的空间位置关系将不再适用，甚至会出现导入的模型超出原有的CT图像范围的情况。在这种情况下，基于CT灰度-材料属性赋值的有限元方法将不再适用。

为此，国外有学者针对模型位置变化后的参数采用了映射配对的方法，这类方法能有效解决模型变动的问题，能用于内固定手术和截骨手术的模拟。然而这一方法需要自行编写相应的计算机程序和相应的空间映射算法，整个过程需要耗费极大的人力物力，并且大大增加了有限元建模的工作量，而空间映射坐标变化尚不能有效解决网格单元缺失的问题，因此该方法的推广和应用均存在很大的局限性。为此，如何运用现有的商业软件来简单实现既可以进行空间位置变换，又能够基于原有CT图像灰度进行骨骼非均匀材料属性赋值的有限元建模方法，仍是当前骨骼生物力学有限元分析的一个技术难题。

为此，针对这一现状，实现一种可用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的目的在于解决传统基于CT图像灰度-材料属性赋值的骨骼有限元建模方法不能实现模型的空间位置变换的问题，而该有限元方法建立的骨骼模型既能满足基于CT图像灰度的材料属性非均匀赋值，又可以允许骨骼模型发生相对原有CT图像范围的空间位置变动，方法具有模型材质高度还原、操作简单和有限元计算结果精确等特点。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：

提供一种用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法，包括如下步骤：

（1）骨骼三维模型重建

采集目标对象骨骼的计算机断层成像数据，将所获得的Dicom格式的断层成像数据导入医学三维重建软件建立骨骼三维模型；

（2）骨骼表面模型的曲面构造与实体化

针对构建的骨骼三维模型，在逆向重建软件中进一步对骨骼三维模型进行表面平滑及去特征化处理，并在骨骼三维模型表面构建曲面片，进而在曲面片基础上构造格栅，从而通过拟合曲面得到骨骼实体模型；

（3）骨骼实体模型的截骨分割

将建立好的骨骼实体模型文件导入CAD软件对骨骼实体模型进行模拟截骨的分割操作，得到多个分割后的骨骼部件模型，以此作为划分单元网格的对象；

（4）未发生位置变化的骨骼部件实体模型的网格划分与输出

将步骤（3）中的未发生位置变化的骨骼部件模型以CAD文件格式输出，并导入到有限元前处理软件中进行网格划分，对未发生位置变化的多个骨骼部件模型分别单独划分网格后并在有限元前处理软件中以网格模型的文件格式输出；

（5）存在位置变化的骨骼部件实体模型的位置调整与基准参考模型的建立

针对步骤（3）中的发生了位置变化的多个骨骼部件模型，在CAD软件中根据临床截骨的标准方法，把发生了位置变化的多个骨骼部件模型进行相应的平移、旋转以及共轴操作，操作过程中分别建立相应的参考平面、参考轴以及参考点，以此建立相应的平面、直线以及空间点参考模型，保存为CAD文件格式；

（6）基于CT图像灰度-材料属性经验公式的网格模型赋值

将步骤（4）中输出的多个骨骼部件的网格模型导入医学三维重建软件中进行材料参数赋值，在软件中分别定义图像CT值HU与表观密度、表观密度与弹性模量的关系公式后，根据分析需要划分材料分布区间数，完成基于CT图像灰度的经验公式赋值过程，最后以有限元模型格式把各个骨骼部件导出并保存；

（7）骨骼部件网格模型的位置调整与有限元建模前处理

将步骤（6）中的各个骨骼部件模型加载至有限元前处理软件中，同时将步骤（5）中的基准参考模型也导入到有限元前处理软件中，在有限元前处理软件中的装配模式下，根据既定的移动距离、旋转角度参数，将骨骼指定的部件模型依照参考面、参考轴以及参考点进行相应距离和角度的移动操作，使各个骨骼部件模型按照预定参数调整到预定的空间位置，得到调整位置后的整个骨骼模型；最后进行模型的载荷、边界条件和接触属性的设置，得到最终的骨骼有限元模型。

优选的，上述步骤（1）中，目标骨骼断层影像数据可通过CT扫描、MRI扫描或micro-CT扫描成像设备获取，医学三维重建软件为Mimics、Simpleware、或者3D-doctor，步骤（1）建立的骨骼三维模型保存文件为STL、IGES或者IGS。

优选的，上述步骤（2）中，骨骼表面模型的曲面构造是在GeomagicStudio软件中完成，模型实体化的操作在CAD软件中完成。

优选的，上述步骤（6）中，具体通过软件Mimics14.0导入多个骨骼部件的网格模型，在软件Mimics14.0中选用材料属性赋值模块完成材料属性赋值经验公式的设定。

本发明的一种用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法，采用的建模方法，能够实现骨骼部件模型位置任意调整而同时具备基于灰度赋值的非均匀单元材料属性，具有模型材质高度还原、操作简单和有限元计算结果精确等特点。

附图说明

结合附图对本发明作进一步的描述，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明在实施例2中构建的胫骨三维模型示意图。

图2是本发明在实施例2中构建胫骨实体化模型的过程示意图。

图3是本发明在实施例2中运用截骨参考平面的方法对胫骨实体模型实施截骨分割示意图。

图4是本发明在实施例2中对胫骨分割模型的下半部分依照参考轴进行内旋10°的空间位置变换操作示意图。

图5是本发明在实施例2中构建的胫骨上下两部分的网格模型示意图。

图6是本发明在实施例2中基于CT灰度-材料属性关系赋值后的两部分胫骨模型非均匀材料分布示意图。

图7是本发明在实施例2中对完成赋值的胫骨下部模型参照导入的旋转轴进行内旋10°的位置变换操作后再重新装配成完整胫骨的过程示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1。

一种用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法，通过如下步骤进行：

一种用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法，包括如下步骤：

（1）骨骼三维模型重建

（2）骨骼表面模型的曲面构造与实体化

（3）骨骼实体模型的截骨分割

（4）未发生位置变化的骨骼部件实体模型的网格划分与输出

（6）基于CT图像灰度-材料属性经验公式的网格模型赋值

（7）骨骼部件网格模型的位置调整与有限元建模前处理

上述步骤（1）中，目标骨骼断层影像数据可通过CT扫描、MRI扫描或micro-CT扫描等成像设备获取，医学三维重建软件可以是现有商业化的医学三维重建软件如Mimics、Simpleware、3D-doctor等，或是由不同研究机构自行编写开发的各种医学三维重建软件。此步骤建立的骨骼三维模型保存文件可以是STL、IGES或IGS。

上述步骤（2）中，骨骼表面模型的曲面构造是在GeomagicStudio软件中完成，最后模型实体化的操作可在常见的CAD软件中完成，如UGNX、CATIA和Solidworks等。此外，最终的骨骼实体化模型也可以通过常见的CAD软件直接构建，并不局限于本操作步骤。此步骤建立的骨骼实体模型保存文件可以是STP或其他实体模型文件格式。

上述步骤（6）中，具体通过软件Mimics14.0导入多个骨骼部件的网格模型，在软件中选用材料属性赋值模块完成材料属性赋值经验公式的设定。

本发明采用的建模思路，主要体现在两个主要方面：首先是建模的顺序与传统建模方式不同，本方法首先建立起骨骼的整体模型，然后对模型进行多个部件的分割，但并未调整空间位置，再把拆分后的多个骨骼实体部件进行网格单元的划分，如此可保证网格模型能够维持原有空间位置以便于导入医学三维重建软件中进行材料参数赋值。其次是网格模型后续的空间位置变换参考模型的应用，本方法在骨骼部件分割完成后，进一步进行截骨后骨骼部件的空间位置变换操作，在此基础上对变换操作的参考平面、轴和点进行相应的建模，以此作为后续网格模型位置调整的参考。通过这两个步骤的结合，实现模型的任意位置变化并获得基于CT灰度赋值的非均匀材料属性单元网格模型，最后通过边界条件和载荷的设定完成整个有限元模型的构建。

本发明方法构建的骨骼有限元模型可有效结合CT灰度赋值的优势，同时不受模型空间位置变换的限制，能广泛用于截骨手术模拟分析、骨折虚拟复位内固定以及植入体模拟植入等各种可能引起骨骼空间位置和形态学发生变化的情况。

本发明基于CT灰度-材料属性赋值的有限元建模方法，突破了传统灰度赋值有限元方法无法移动和调整骨骼形态结构和空间位置的局限，使模型在发生变形或移位的情况下保留了不均匀材料属性的特点，更真实客观的反映截骨操作后的生物力学特性，整个建模方法具有模型材质高度还原、操作简单和结果精确等特点。

实施例2。

以一具体的胫骨旋转截骨矫形的实施例对本发明的一种用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法进行说明，本发明方法通过如下步骤进行的：

（1）骨骼三维模型重建

采集一例临床上确诊为胫骨旋转畸形的患者的计算机断层成像数据，根据所获得的断层成像Dicom格式数据，进一步导入医学三维重建软件建立胫骨的三维模型，经三维空间测量，该胫骨模型呈外旋41.8°，如图1所示。

（2）骨骼表面模型的曲面构造与实体化

针对构建的胫骨三维模型，在逆向重建软件Geomagic中进一步对模型进行表面平滑及去特征化处理，并在模型表面构建曲面片，进而在曲面片基础上构造格栅，从而通过拟合曲面得到胫骨实体模型，如图2所示。

（3）胫骨实体模型的截骨分割

将建立好的胫骨实体模型文件导入通用的CAD软件UGNX中，首先确定胫骨上部干骺端的截骨平面并以之作为参考平面，同时以胫骨长轴作为旋转截骨的旋转参考轴并建立相应的空间直线，要求旋转轴须垂直于参考平面，以参考平面对胫骨实体进行模拟截骨操作，得到两个分割后的骨骼部件模型，以此作为划分单元网格的对象，过程如图3中a-b所示。

（4）胫骨上下部实体模型的网格划分与输出

在将步骤（3）中的未发生位置变化的多个骨骼部件模型以通用CAD文件格式输出，并导入到有限元前处理软件中进行网格划分，对多个骨骼部件单独划分网格后，在有限元前处理软件中对上述多个部件模型以网格模型的文件格式输出，网格模型如图5所示。

（5）胫骨各部件实体模型的位置调整与基准参考模型的建立

将上述步骤（3）建立的胫骨上下部分两个部件模型作为移动对象，在UGNX软件中根据临床旋转截骨的标准方法，把分割后的胫骨下部模型绕旋转轴进行内旋10°操作，操作过程中分别建立相应的截骨平面和旋转轴直线的模型，保存为通用的IGS文件格式，过程如图4a-b所示。

（6）基于CT图像灰度-材料属性经验公式的网格模型赋值

将步骤（4）中输出的两个部件网格模型导入医学三维重建软件Mimics中进行材料参数赋值，参考既往文献数据，在软件中分别定义好图像CT值HU与表观密度、表观密度与弹性模量的关系公式后，根据分析需要划分材料分布区间数，完成基于CT图像灰度的经验公式赋值过程，如图6所示。最后以通用有限元模型格式把上下两个胫骨部件模型导出并保存。

（7）胫骨上下部件网格模型的位置调整与有限元建模前处理

将步骤（6）中的两个胫骨部件模型加载至有限元前处理软件中，同时将步骤（5）中的基准参考模型也导入到有限元前处理软件中，在前处理软件中的装配模式下，根据既定的10°旋转角度，将下部胫骨依照参考轴进行相应角度旋转操作，使胫骨下部模型按照预定角度旋转至预定的空间位置，此时得到调整位置后的完整胫骨装配模型，如图7所示。此时，该模型已具有了非均匀的单元材质属性。最后完成模型的载荷、边界条件和接触属性的设置，得到最终的胫骨旋转截骨后的有限元模型。

将上述有限元建模方法得到的胫骨旋转截骨有限元模型进行相关计算分析，相比以往传统的两种建模方法，可以获得更为符合人体胫骨实际生物力学特性的分析结果。

本发明的一种用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法，能够实现骨骼部件模型位置任意调整而同时具备基于灰度赋值的非均匀单元材料属性，具有模型材质高度还原、操作简单和有限元计算结果精确等特点。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）骨骼三维模型重建采集目标对象骨骼的计算机断层成像数据，将所获得的Dicom格式的断层成像数据导入医学三维重建软件建立骨骼三维模型；（2）骨骼表面模型的曲面构造与实体化针对构建的骨骼三维模型，在逆向重建软件中进一步对骨骼三维模型进行表面平滑及去特征化处理，并在骨骼三维模型表面构建曲面片，进而在曲面片基础上构造格栅，从而通过拟合曲面得到骨骼实体模型；（3）骨骼实体模型的截骨分割将建立好的骨骼实体模型文件导入CAD软件对骨骼实体模型进行模拟截骨的分割操作，得到多个分割后的骨骼部件模型，以此作为划分单元网格的对象；（4）未发生位置变化的骨骼部件实体模型的网格划分与输出将步骤（3）中的未发生位置变化的骨骼部件模型以CAD文件格式输出，并导入到有限元前处理软件中进行网格划分，对未发生位置变化的多个骨骼部件模型分别单独划分网格后并在有限元前处理软件中以网格模型的文件格式输出；（5）存在位置变化的骨骼部件实体模型的位置调整与基准参考模型的建立针对步骤（3）中的发生了位置变化的多个骨骼部件模型，在CAD软件中根据临床截骨的标准方法，把发生了位置变化的多个骨骼部件模型进行相应的平移、旋转以及共轴操作，操作过程中分别建立相应的参考平面、参考轴以及参考点，以此建立相应的平面、直线以及空间点参考模型，保存为CAD文件格式；（6）基于CT图像灰度-材料属性经验公式的网格模型赋值将步骤（4）中输出的多个骨骼部件的网格模型导入医学三维重建软件中进行材料参数赋值，在软件中分别定义图像CT值HU与表观密度、表观密度与弹性模量的关系公式后，根据分析需要划分材料分布区间数，完成基于CT图像灰度的经验公式赋值过程，最后以有限元模型格式把各个骨骼部件导出并保存；（7）骨骼部件网格模型的位置调整与有限元建模前处理将步骤（6）中的各个骨骼部件模型加载至有限元前处理软件中，同时将步骤（5）中的基准参考模型也导入到有限元前处理软件中，在有限元前处理软件中的装配模式下，根据既定的移动距离、旋转角度参数，将骨骼指定的部件模型依照参考面、参考轴以及参考点进行相应距离和角度的移动操作，使各个骨骼部件模型按照预定参数调整到预定的空间位置，得到调整位置后的整个骨骼模型；最后进行模型的载荷、边界条件和接触属性的设置，得到最终的骨骼有限元模型。

2.根据权利要求1所述的用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法，其特征在于，所述步骤（1）中，目标骨骼断层影像数据可通过CT扫描、MRI扫描或micro-CT扫描成像设备获取，医学三维重建软件为Mimics、Simpleware、或者3D-doctor，步骤（1）建立的骨骼三维模型保存文件为STL、IGES或者IGS。

3.根据权利要求2所述的用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法，其特征在于，所述步骤（2）中，骨骼表面模型的曲面构造是在GeomagicStudio软件中完成，模型实体化的操作在CAD软件中完成。

4.根据权利要求3所述的用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法，其特征在于，所述步骤（6）中，具体通过软件Mimics14.0导入多个骨骼部件的网格模型，在软件Mimics14.0中选用材料属性赋值模块完成材料属性赋值经验公式的设定。