CN106991720B - 一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，包括如下步骤：(1)髋臼模型三维重建；(2)髋臼模型实体化；(3)髋臼模型实体化；(4)有限元软件前处理；(5)分析运算模拟预弯，预弯钢板模型通过工艺加工成型作为成品钢板。本发明的一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，在现有内固定植入物产品体系下，通过数值模拟，借助有限元分析运算模拟钢板预弯，其简化了设计流程，提供符合患者病情的个性化预弯数字钢板。

Description

一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法
技术领域
本发明涉及数字医学技术领域，特别是涉及一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法。
背景技术
骨折切开复位内固定术，因其能在直视情况尽可能的对骨折块的进行解剖复位，且在内固定系统的支持下，能早期进行功能锻炼有利于病情恢复，是复杂骨折、保守治疗不佳的首选。
在内固定手术方案实施过程中，选择合适的内固定植入物是确保内固定方案合理性的关键因素之一。但是，由于患者病情的复杂性、个体解剖结构的差异性，一定程度上决定了现有内固定产品体系并不能完全满足个体的需要，为保证内固定植入物与相应骨的解剖形态良好地匹配，对其进行一定程度的预弯是有必要的。
常规的骨科手术中，医生需反复对钢板进行处理并与复位后的骨骼进行比对，对于手术执行者而言，依靠主观臆测进行“二次塑形”的过程充满着不可控的因素，为此，需借助影像设备反复进行校正，对于年轻的医师更具挑战。而相应的手术时间延长、X射线过多地暴露对于对患者的健康有着潜在不良影响。
随着数字医学辅助技术的发展，借助3D打印技术，可真实再现病变部位情况，于体外就可根据真实比例的骨折模型，进行骨折块的复位、钢板预弯以及螺钉置入的选择，这无疑减少了术中实时设计的时间，也满足了个性化精准治疗的目的。其不足之处在于，以上均是以钢板的“冷变形”为主，对于钢板力学性能的影响是不能忽略的。
另有学者通过对骨性结构的解剖测量或结合逆向工程技术，通过影像反求得出骨骼关键解剖轮廓参数，并以此设计出相应匹配的钢板CAD模型，并借助增材制造技术完成实体加工成型，从设计之初，就综合考虑了骨性结构的解剖差异，将“成型”与“预弯”一体融入了设计之中。但其设计流程复杂、制作周期长，从医疗实际供求考虑，该技术的应用选择有限。
因此，提供一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法以克服现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，设计流程简单，符合性好。
本发明的上述目的通过以下技术措施实现：
提供一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，包括如下步骤：
(1)髋臼模型三维重建
采集髋部的薄层CT影像数据以Dicom格式导入医学三维重建软件Mimics中，三维重建完成髋臼三维建模，并对髋臼后壁进行虚拟切割，模拟髋臼后壁骨折；
(2)髋臼模型实体化
将步骤(1)中的髋臼完整模型文件以stl格式导入逆向工程软件Geomagic进行处理，并转化成stp格式髋臼实体模型文件，后续有限元分析备用；
(3)髋臼模型实体化
参考髋臼重建钢板实体，在UG软件中绘制出其数值模型，导入步骤(2)髋臼实体模型文件，并以其为参考，通过移动功能，将中间孔对准髋臼后壁骨折块，长轴对准其弧形后壁，调整重建钢板的空间位置以此模拟现实手术钢板置放位置，将调整位置后的钢板以stp格式文件导出；
(4)有限元软件前处理
将步骤(2)中的髋臼完整模型文件、步骤(3)中的重建钢板模型文件同时导入有限元软件Abaqus，其中，髋臼完整模型文件仅作为参考显示，未参与有限元运算分析；对重建钢板模型文件进行材料属性赋值、装配、网格划分；约束重建钢板中间孔位移为0，在重建钢板两端各施加朝向髋臼后壁的压力；
(5)分析运算模拟预弯
调整施加载荷的方向、大小，使之与髋臼后壁解剖形态相匹配，将预弯的钢板以stl格式导出，导入Mimics中获得预弯钢板模型，预弯钢板模型通过工艺加工成型作为成品钢板。
优选的，上述步骤(1)中髋臼三维建模具体是：在Segmentation模块下，设定默认的阈值区间226-1497HU，通过Thresholding进行初步图像分割，然后借助Region Growing、Edit Masks分割感兴趣右髋部Mask，并对其进行三维重建完成右髋臼三维建模。
优选的，上述步骤(1)中具体是在Simulation模块下利用Cut功能，对髋臼后壁进行虚拟切割，模拟髋臼后壁骨折。
本发明的一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，在现有内固定植入物产品体系下，通过数值模拟，借助有限元分析运算模拟钢板预弯，其简化了设计流程，提供符合患者病情的个性化预弯数字钢板。
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是本发明实施例2中髋臼后壁骨折建模示意图。
图2是本发明实施例2中钢板重建及位置调整示意图。
图3是本发明实施例2中有限元模拟加载预弯示意图。
图4是本发明实施例2中个性化钢板预弯效果示意图。
在图1至图4中，包括，
钢板100。
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。
一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，包括如下步骤：
(1)髋臼模型三维重建
采集髋部的薄层CT影像数据以Dicom格式导入医学三维重建软件Mimics中，三维重建完成髋臼三维建模，并对髋臼后壁进行虚拟切割，模拟髋臼后壁骨折；
(2)髋臼模型实体化
将步骤(1)中的髋臼完整模型文件以stl格式导入逆向工程软件Geomagic进行处理，并转化成stp格式髋臼实体模型文件，后续有限元分析备用；
(3)髋臼模型实体化
参考髋臼重建钢板实体，在UG软件中绘制出其数值模型，导入步骤(2)髋臼实体模型文件，并以其为参考，通过移动功能，将中间孔对准髋臼后壁骨折块，长轴对准其弧形后壁，调整重建钢板的空间位置以此模拟现实手术钢板置放位置，将调整位置后的钢板以stp格式文件导出；
(4)有限元软件前处理
将步骤(2)中的髋臼完整模型文件、步骤(3)中的重建钢板模型文件同时导入有限元软件Abaqus，其中，髋臼模型仅作为参考显示，未参与有限元运算分析；对重建钢板模型文件进行材料属性赋值、装配、网格划分；约束重建钢板中间孔位移为0，在重建钢板两端各施加朝向髋臼后壁的压力；
(5)分析运算模拟预弯
调整施加载荷的方向、大小，使之与髋臼后壁解剖形态相匹配，将预弯的钢板以stl格式导出，导入Mimics中获得预弯钢板模型，预弯钢板模型通过工艺加工成型作为成品钢板。
步骤(1)中髋臼三维建模具体是：在Segmentation模块下，设定默认的阈值区间226-1497HU，通过Thresholding进行初步图像分割，然后借助Region Growing、Edit Masks分割感兴趣右髋部Mask，并对其进行三维重建完成右髋臼三维建模。具体是在Simulation模块下利用Cut功能，对髋臼后壁进行虚拟切割，模拟髋臼后壁骨折。
本发明的一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，在现有内固定植入物产品体系下，通过数值模拟，借助有限元分析运算模拟钢板预弯，其简化了设计流程，提供符合患者病情的个性化预弯数字钢板。
实施例2。
以一右髋臼模型为例，对本方法进行说明。
一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，包括如下步骤：
(1)右髋臼模型三维重建
采集髋部的薄层CT影像数据以Dicom格式导入医学三维重建软件Mimics中。在Segmentation模块下，设定默认的阈值区间226-1497HU，通过Thresholding进行初步图像分割，然后借助Region Growing、Edit Masks分割感兴趣右髋部Mask，并对其进行三维重建完成右髋臼三维建模。具体是在Simulation模块下利用Cut功能，对髋臼后壁进行虚拟切割，模拟髋臼后壁骨折，如图1所示。
(2)右髋臼模型实体化
将步骤(1)中的髋臼完整模型文件以stl格式导入逆向工程软件Geomagic进行处理，并转化成stp格式髋臼实体模型文件，后续有限元分析备用。
(3)右髋臼模型实体化
参考髋臼重建钢板实体，在UG软件中绘制出其数值模型。导入步骤(2)髋臼实体模型文件，并以其为参考，通过移动功能，将中间孔对准髋臼后壁骨折块，长轴对准其弧形后壁，调整重建钢板100的空间位置以此模拟现实手术钢板100置放位置，如图2所示，将调整位置后的钢板100以stp格式文件导出。
(4)有限元软件前处理
将步骤(2)中的髋臼完整模型文件、步骤(3)中的重建钢板100模型文件同时导入有限元软件Abaqus。其中，髋臼完整模型文件仅作为参考显示，未参与有限元运算分析，对其模型设置为Display Body。对重建钢板100模型文件进行材料属性赋值、装配、网格划分。约束重建钢板100中间孔位移为0，在重建钢板100两端各施加朝向髋臼后壁的压力，如图3所示。
(5)分析运算模拟预弯
调整施加载荷的方向、大小，进一遍优化钢板100预弯效果，使之与髋臼后壁解剖形态相匹配。将预弯的钢板100以stl格式导出，导入Mimics中获得预弯钢板100模型如图四所示。预弯钢板100模型通过工艺加工成型作为成品钢板100直接用于个性化手术。
本发明的一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，在现有内固定植入物产品体系下，通过数值模拟，借助有限元分析运算模拟钢板预弯，其简化了设计流程，提供符合患者病情的个性化预弯数字钢板。
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 (3)

1.一种基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)髋臼模型三维重建
采集髋部的薄层CT影像数据以Dicom格式导入医学三维重建软件Mimics中，三维重建完成髋臼三维建模，并对髋臼后壁进行虚拟切割，模拟髋臼后壁骨折；
(2)髋臼模型实体化
将步骤(1)中的髋臼完整模型文件以stl格式导入逆向工程软件Geomagic进行处理，并转化成stp格式髋臼实体模型文件，后续有限元分析备用；
(3)髋臼模型实体化
参考髋臼重建钢板实体，在UG软件中绘制出其数值模型，导入步骤(2)髋臼实体模型文件，并以其为参考，通过移动功能，将中间孔对准髋臼后壁骨折块，长轴对准其弧形后壁，调整重建钢板的空间位置以此模拟现实手术钢板置放位置，将调整位置后的钢板以stp格式文件导出；
(4)有限元软件前处理
将步骤(2)中的髋臼完整模型文件、步骤(3)中的重建钢板模型文件同时导入有限元软件Abaqus，其中，髋臼完整模型文件仅作为参考显示，未参与有限元运算分析；对重建钢板模型文件进行材料属性赋值、装配、网格划分；约束重建钢板中间孔位移为0，在重建钢板两端各施加朝向髋臼后壁的压力；
(5)分析运算模拟预弯
调整施加载荷的方向、大小，使之与髋臼后壁解剖形态相匹配，将预弯的钢板以stl格式导出，导入Mimics中获得预弯钢板模型，预弯钢板模型通过工艺加工成型作为成品钢板。
2.根据权利要求1所述的基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，其特征在于，所述步骤(1)中髋臼三维建模具体是：在Segmentation模块下，设定默认的阈值区间226-1497HU，通过Thresholding进行初步图像分割，然后借助Region Growing、EditMasks分割感兴趣右髋部Mask，并对其进行三维重建完成右髋臼三维建模。
3.根据权利要求2所述的基于有限元分析运算的个性化髋臼重建钢板预弯方法，其特征在于，所述步骤(1)中具体是在Simulation模块下利用Cut功能，对髋臼后壁进行虚拟切割，模拟髋臼后壁骨折。
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