CN108305687A - 一种快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的系统及方法，所述方法在典型的三维模型基础上，构建个性化的人体脊柱三维模型，再建立个性化的有限元模型，最终通过分析计算单元计算得到患者椎体最大弯曲度以及承载能力。该系统及方法简化椎体三维建模以及有限元处理的工作量，从而对患者护理工作进行辅助指导。

Description

一种快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的系统和方法

技术领域

本发明涉及了数字医学技术领域，特别是涉及了一种基于有限元分析运算的诊断骨质疏松患者椎体最大弯曲度、承载能力的方法。

背景技术

随着社会的进一步发展和人口的日益老龄化，以及人们对生活质量的重视，骨质疏松症越来越受到关注。脊柱压缩骨折是骨质疏松症最常见的并发症之一，是导致老年人死亡的不可低估的原因。目前对腰椎力学性质较常见的研究方法有动物模型、物理模型和尸体模型，以及最新发展起来的计算机有限元分析模型。

动物模型可以监测生理反应，但由于动物不是直立行走，其腰椎结构功能与人类的不同，因此结果不可能完全解答人类脊柱的特有的问题。物理模型由于缺乏几何和材料特性的生物逼真度，其应用非常有限。尸体模型在几何结构和材料特性方面具有优势，实验得出的结果对生物力学方面的可利用价值最高。外科手术也可以用这些模型来评价，但其缺乏生物力学的变化，并且实验费用高，取材困难，可重复性较低等使其应用受到限制。

随着计算机技术的发展，有限元方法由于具有适用于形状复杂、材料特性分布多样化的结构以及可重复性的特点成为了研究脊椎力学的重要手段。目前诊断骨质疏松患者椎体最大弯曲度以及承载能力的方法主要通过使用相应的医学建模软件建立出椎体的三维模型继而在有限元计算分析软件中对模型进行有限元仿真计算。具体步骤如图1：

S1：获取脊椎CT数据，并以DICOM格式储存。

S2：经过CT图像的处理，提取出脊椎模型轮廓。具体步骤如下：

S21：利用阀值分割工具将骨骼与周边的组织肌肉区分出来；

S22：使用编辑蒙板工具逐层对图像进行处理；

S23：通过区域增长工具将所需椎体提取出来。

S3：待完整提取出所需要的图像后重建3D模型。

S4：将初步重建的3D模型在网格划分程序中划分面网格。具体步骤如下：

S41：在原网格的基础上优化网格，对三角网格进行自动优化；

S42：对非均匀或出现局部过密或过疏的网格进行手动修改，最终得到优化后的全腰椎面网格模型。

S5：在有限元软件中将面网格转化为体网格，建立人体椎体体网格单元模型。

S6：在有限元软件中，采用均匀赋值法给人体椎体进行赋值。

S7：按照真实情况对各个椎体进行组装。

S8：在有限元软件中对各个椎体模型的接触以及载荷进行设置。

S9：计算并得到骨骼受载荷结果诊断出患者椎体最大弯曲度以及承载能力。

此方法的缺点在于无通用的有限元模型，建立个性化模型流程复杂、计算周期长，无法快速得到患者椎体最大弯曲度以及承载能力。从诊断实际出发，此技术的应用范围有限。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种快速诊断骨质疏松患者椎体最大弯曲度、承载能力的系统及其方法，简化椎体三维建模以及有限元处理的工作量，从而对患者护理工作进行辅助指导。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的方法，其特征在于，所述方法在典型的三维模型基础上，构建个性化的人体脊柱三维模型，在此三维模型基础上通过网格处理以及赋予材料属性建立出个性化的有限元模型，最终通过分析计算单元计算得到患者椎体最大弯曲度以及承载能力。

进一步的，所述方法具体为：

S1：建立典型骨质疏松患者椎体三维模型数据库；

S2：根据患者本人的基本骨骼情况创建个性化人体脊柱三维模型；

S3：再将患者的骨质疏松参数输入至所述个性化人体脊柱三维模型中，创建个性化人体脊柱有限元模型；

S4：计算创建的个性化有限元模型并得到患者椎体最大弯曲度以及承载能力。

进一步的，所述S1建立典型的骨质疏松患者椎体三维模型是通过对大量患者的CT图像进行逆向建模实现的，通过医学建模软件以及逆向建模软件来完成。

作为一种优选，所述根据患者本人的基本骨骼情况指患者各椎体高度、松质骨密质骨体积比参数。

作为一种优选，所述患者的骨质疏松参数为包含椎体松质骨、密质骨以及椎间盘的弹性模量、泊松比参数信息。

本发明还提供快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的系统，所述系统包括参数化建立脊柱三维模型单元、赋值建立个性化有限元模型单元以及分析计算单元；

其中，所述参数化建立脊柱三维模型单元根据所获得的数据信息，基于数字图像三维构建技术，构建个性化人体脊柱三维模型；

作为一种优选，所述赋值建立个性化有限元模型单元用于确定人体脊椎三维模型的材料属性以及施加载荷情况，构建个性化人体脊椎有限元模型。

进一步的，所述分析计算单元依据有限元计算得到患者椎体最大弯曲度以及承载能力

有限元求解问题的基本步骤通常为：

S41：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。

S42：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小(网格越细)则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。

S43：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。

S44：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。

S45：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数连续性建立在结点处。

S46：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提供了一种快速建立骨质疏松患者个性化椎体模型并计算患者椎体最大弯曲度以及承载能力的生成系统和方法，在所述生成系统中设置参数化建立脊柱三维模型单元；赋值建立个性化有限元模型单元，实现快速建立骨质疏松患者椎体有限元模型，根据不同患者情况创建出个性化模型，最终通过分析计算单元得到骨质疏松患者椎体最大弯曲度、承载能力。

与传统方法相比，本系统无需花费大量工作进行三维建模以及有限元处理。操作简单，便于学习，容易实现工程应用。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为现有技术中通过有限元仿真骨质疏松患者椎体的流程图；

图2为本发明仿真骨质疏松患者椎体的流程图；

图3为本发明快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明具体实施方式中诊断骨质疏松患者椎体最大弯曲度、承载能力的方法如图2所示。包括以下步骤：S1：建立典型骨质疏松患者椎体三维模型数据库；S2：创建个性化人体脊柱三维模型；S3：创建个性化人体脊柱有限元模型；S4：计算创建的个性化有限元模型并得到患者椎体最大弯曲度以及承载能力。

建立典型患者椎体三维模型：主要通过医学建模软件mimics以及逆向建模软件geomagic 创建。在mimics中首先将DICOM格式的CT断层图像导入，然后利用阀值分割、编辑蒙板、区域增长工具生成椎体面网格模型，最终在geomagic进行光滑处理并拟合出椎体三维模型。

创建个性化人体脊柱三维模型：用户根据实际情况选择模型数据库中的一个作为标准模型，用户输入包含各椎体高度、松质骨密质骨体积比等参数的信息从而对标准模型参数进行修改自动生成包含松质骨、密质骨和椎间盘的个性化人体脊柱三维模型。

创建个性化人体脊柱有限元模型：用户输入包含椎体松质骨、密质骨以及椎间盘的弹性模量、泊松比等参数信息完成材料的力学参数赋值。

计算创建的个性化有限元模型并得到患者椎体最大弯曲度以及承载能力：在分析计算单元，通过有限元方法自动计算得到骨质疏松患者椎体最大弯曲度、承载能力。

实施例1

所述系统包括参数化建立脊柱三维模型单元、赋值建立个性化有限元模型单元以及分析计算单元；

步骤101在本发明的某些实施方案中，参数化建立脊柱三维模型单元，用于建立个性化的人体脊柱三维模型。

在实际情况中，由开发人员将多种典型患者椎体三维模型数据信息存入所述参数化建立脊柱三维模型单元中，根据用户输入的包含各椎体高度、松质骨密质骨体积比等参数的信息从而对标准模型参数进行修改生成个性化人体脊椎三维模型。所述典型患者椎体三维模型数据库包括7种颈椎、12种胸椎、5种腰椎以及椎间盘。参数化建立脊柱三维模型单元利用所述典型患者椎体三维模型，通过参数设置构建针对不同个体的人体脊柱三维模型。

步骤102在本发明的某些实施方案中，赋值建立个性化有限元模型单元，用于建立个性化的人体脊柱有限元模型。

下面以一份样本模型为例(第三腰椎到第五腰椎段)，说明赋值力学参数从而建立脊柱有限元模型的步骤：人体腰椎主要的力学参数包括各个腰椎的弹性模量以及泊松比。在材料参数界面分别输入第三腰椎到第五腰椎的弹性模量以及泊松比。其中具体需要定义的包括第三腰椎弹性模量E₁、第四腰椎弹性模量E₂、第五腰椎弹性模量E₃、第3-4椎间盘弹性模量E₄、第4-5 椎间盘弹性模量E₅；第三腰椎泊松比μ₁、第四腰椎泊松比μ₂、第五腰椎泊松比μ₃、第3-4椎间盘泊松比μ₄、第4-5椎间盘泊松比μ₅。经过参数化定义生成腰椎有限元模型。

步骤103在本发明的某些实施方案中，分析计算单元，用于计算得到患者椎体最大的弯曲度以及所能承受的力的最大值。

在实际情况中，根据用户设置的包含力的性质、方向以及大小等参数的信息从而对椎体准确定义患者所承受的具体载荷。并计算得到患者椎体最大的弯曲度以及所能承受的力的最大值。其中力的性质数据库包括集中力、弯矩、单位面积载荷、单位体积上的体力。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的方法，其特征在于，所述方法在典型的三维模型基础上，构建个性化的人体脊柱三维模型，在此三维模型基础上通过网格处理以及赋予材料属性建立出个性化的有限元模型，最终通过分析计算单元计算得到患者椎体最大弯曲度以及承载能力。

2.根据权利要求1所述的快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的方法，其特征在于，所述方法具体为：

S1：建立典型骨质疏松患者椎体三维模型数据库；

S2：根据患者本人的基本骨骼情况创建个性化人体脊柱三维模型；

S3：再将患者的骨质疏松参数输入至所述个性化人体脊柱三维模型中，创建个性化人体脊柱有限元模型；

S4：计算创建的个性化有限元模型并得到患者椎体最大弯曲度以及承载能力。

3.根据权利要求2所述的快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的方法，其特征在于，所述S1建立典型的骨质疏松患者椎体三维模型是通过对大量患者的CT图像进行逆向建模实现的，通过医学建模软件以及逆向建模软件来完成。

4.根据权利要求2所述的快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的方法，其特征在于，所述根据患者本人的基本骨骼情况指患者各椎体高度、松质骨密质骨体积比参数。

5.根据权利要求2所述的快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的方法，其特征在于，所述患者的骨质疏松参数为包含椎体松质骨、密质骨以及椎间盘的弹性模量、泊松比参数信息。

6.快速诊断骨质疏松患者椎体承载能力的系统，其特征在于，所述系统包括参数化建立脊柱三维模型单元、赋值建立个性化有限元模型单元以及分析计算单元；

其中，所述参数化建立脊柱三维模型单元根据所获得的数据信息，基于数字图像三维构建技术，构建个性化人体脊柱三维模型；

所述赋值建立个性化有限元模型单元用于确定人体脊椎三维模型的材料属性以及施加载荷情况，构建个性化人体脊椎有限元模型；

所述分析计算单元依据有限元计算得到患者椎体最大弯曲度以及承载能力。