CN107134010A - 一种基于有限元的弹性软组织的形貌效果预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有限元的弹性软组织的形貌效果预测方法。本发明首先建立单侧乳房的三维有限元模型。采用MRI扫描人体乳房组织，获取原始数据，通过三维重建软件重建出人体皮肤、脂肪和乳腺的三维模型，并将重建的模型组装为整体的三维有限元模型。其次对三维模型进行对应组织的属性赋值，同时划分相应程度的体网格。最后，模拟乳房在人体站立位和仰卧位时受重力影响，预测其随之产生的相应形变。本发明操作简单、具有可视化、时间成本低，充分利用医生在MRI或CT等医学图像领域的辨识能力来处理组织器官的三维重建，避免了依靠计算机编程来解决医学图像问题对医生的困扰。

Description

一种基于有限元的弹性软组织的形貌效果预测方法
技术领域
本发明涉及计算机辅助技术领域，具体为一种基于有限元的弹性软组织的形貌效果预测方法。
背景技术
乳房是女性的象征和体形美的标准之一，其主要结构由皮肤、脂肪组织、乳腺构成，其中乳腺组织和脂肪的多少决定乳房的大小。乳房的形貌不仅受这些组织的影响，也受到乳房上方皮肤下的悬韧带支撑的影响。
因为乳房本身结构的复杂性，当前主流的隆乳手术预测是基于手术前施术者通过和受术者的口头的交流，从受术者那里得到欲求的隆乳效果，并依赖于施术者手术经验和对于乳房形态美的认知。除此之外，受术者在仰卧位时的手术效果与站立位时往往相差很大，往往仰卧位时具有很好的形态效果，但是在站立位时形态效果却不佳。因此研究乳房的形貌效果预测有利于提前了解手术效果，并提高手术的精确度。
有限元分析法作为力学研究领域的最重要的方法之一，目前已被广泛应用于生物力学的研究，能够分析人体组织内及组织之间的复杂力学过程，预测力学作用产生的效应（如物体的应力、应变、形状等的变化），并且能够在计算机上直观显示与输出计算结果以供分析，具有可重复性，节约实验成本、实验条件易控制等优点，可以弥补传统的乳房形态预测过程完全靠医生的临床经验来预测的不足。
目前，杨资洋CN104915519A的专利涉及到使用有限元方法对颅颌面骨模型进行建模分析。杨专利中是对人体硬组织进行建模和有限元分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有限元的弹性软组织的形貌效果预测方法，构建可用于预测不同体位的有限元计算分析的人体乳房形态预测模型。
本发明采用的技术方案如下，一种基于有限元的弹性软组织的形貌效果预测方法，包括以下步骤：把人体乳房模型分成三个主要部分，再重新组合成一个实体整体，最终通过有限元对该三维有限元模型进行预测分析。
其中，乳房的三个主要部分具体如下：皮肤、乳腺分离形成单独的网格模型，再将剩余部分通过布尔运算分离出来作为脂肪组织。
具体步骤如下：
1.对人体在俯卧位时进行乳房MRI扫描，得到原始MRI数据集，以DICOM格式导出。
2.将数据集导入医学影像控制软件中，通过阈值分割、空腔填充、编辑蒙版，重建人体单侧乳房的三维模型。基于不同组织的阈值的不同，手动将乳房分离形成单独的皮肤和乳腺的面网格模型，再通过布尔运算分离出剩余的部分形成独立的脂肪网格模型。
3.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，修复自相交的线和面，调整网格大小和质量。将修复好的面网格模型进行曲面生成，生成NUBRS曲面，并以此创建各部分三维CAD实体模型。
4.将生成的三部分的三维CAD实体模型分别导入有限元软件，软件对皮肤、脂肪、乳腺实体模型赋值，分别设定相应的密度、弹性模量和泊松比值。
5.按照分割前的位置和形态默认进行拼接，形成整体。将乳房的三个部分划分成体网格，手动绑定各个组织之间的接触面，设置接触模式为Bonded，形成最终的组装体。
6.设置软件中加速度的大小和方向来产生不同体位时重力的影响，模拟站立位和仰卧位时乳房真实的受力情况，进行乳房形变的预测。
本发明操作简单、具有可视化、时间成本低，充分利用医生在MRI或CT等医学图像领域的辨识能力来处理组织器官的三维重建，避免了依靠计算机编程来解决医学图像问题对医生的困扰。本发明能预测多种不同组织构成的器官的形貌效果预测，较通常只能处理单一硬组织的形貌效果预测的人体组织有限元分析方法，应用领域更宽广。
附图说明
图1为人体乳房的三维有限元模型的建模流程图；
图2为软件分割后的人体乳房各组织的面网格三维模型；其中（a）表示乳房,（b）表示乳房皮肤,（c）表示乳腺,（d）表示乳房脂肪
图3为人体乳房各组织的三维CAD实体模型；其中（a）表示乳房皮肤，（b）表示乳腺，（c）表示乳房脂肪，(d) 表示组装的乳房整体
图4为人体单侧乳房在仰卧位和站立位时的形变结果图；其中（a）表示仰卧位形变结果图，（b）表示站立位形变结果图。
具体实施方式
下面结合实例，对本发明作进一步的说明。
本发明首先，建立单侧乳房的三维有限元模型。采用MRI扫描人体乳房组织，获取原始数据，通过三维重建软件重建出人体皮肤、脂肪和乳腺的三维模型，并将重建的模型组装为整体的三维有限元模型。其次，对三维模型进行对应组织的属性赋值，同时划分相应程度的体网格。最后，模拟乳房在人体站立位和仰卧位时受重力影响，预测其随之产生的相应形变。具体包括以下步骤：
1.扫描人体在俯卧位时的乳房，得到原始MRI数据，以DICOM格式导出。
2.将DICOM数据导入Mimics 10.0软件，通过阈值分割、空腔填充、编辑蒙版，划分出所需的组织区域，并重建出人体单侧乳房三个部分（皮肤、乳腺、脂肪）的面网格三维模型。（图2）
3.分别将独立的三部分面网格模型导入逆向工程软件Geomagic studio 12软件中修复不规则网格，消除多余的几何点、面，修复自相交的线和面，调整网格大小和质量。修复好的面网格模型进行曲面生成，生成NUBRS曲面，并以此创建各部分三维CAD实体模型。将生成的三部分三维CAD实体模型分别导入有限元软件Ansys 15软件，基于分隔前的位置和形态进行自动组装，形成乳房组装体（图3）。
4.在Ansys 15软件中，对皮肤、脂肪、乳腺实体模型赋值，分别设定相应的密度、弹性模量和泊松比值。
5.在Ansys 15软件中，按照分割前的位置和形态默认进行拼接，形成整体。将乳房的三个部分划分成体网格，手动绑定各个组织之间的接触面，设置接触模式为Bonded，形成最终的组装体。
6.在Ansys 15软件中，软件中设置加速度的大小和方向来产生不同体位时重力的影响，模拟站立位和仰卧位时乳房真实的受力情况，进行乳房形变的预测。(图4)
综上，本发明不仅适用于模拟组织结构复杂的乳房的形变，而且更适用于组织结构单一的弹性软组织器官，例如肌肉等。

Claims (1)

1.一种基于有限元的弹性软组织的形貌效果预测方法，其特征在于：
步骤1.对人体在俯卧位时进行乳房MRI扫描，得到原始MRI数据集，以DICOM格式导出；
步骤2.将数据集导入医学影像控制软件中，通过阈值分割、空腔填充、编辑蒙版，重建人体单侧乳房的三维模型；
基于不同组织的阈值的不同，将乳房分离形成单独的皮肤和乳腺的面网格模型，再通过布尔运算分离出剩余的部分形成独立的脂肪面网格模型；
步骤3.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，修复自相交的线和面，调整网格大小和质量；将修复好的面网格模型进行曲面生成，生成NUBRS曲面，并以此创建各部分三维CAD实体模型；
步骤4.将生成的三部分的三维CAD实体模型分别导入有限元软件，软件对皮肤、脂肪、乳腺实体模型赋值，分别设定相应的密度、弹性模量和泊松比值；
步骤5.按照分割前的位置和形态默认进行拼接，形成整体；将乳房的三个部分划分成体网格，绑定各个组织之间的接触面，设置接触模式为Bonded，形成最终的组装体；
步骤6.设置软件中加速度的大小和方向来产生不同体位时重力的影响，模拟站立位和仰卧位时乳房真实的受力情况，进行乳房形变的预测。
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