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脊柱及骨质疏松三维有限元模型的建立

发布于:2016-04-01 21:41
有限元分析

      脊柱腰段的结构复杂、功能重要,既承受重力又灵活运动,临床的病变及损伤非常多见。骨质疏松是一种常见的老年性退行性病变,椎骨骨质疏松对脊柱的生物力学有重要影响。许多腰椎疾病的发生与其生物力学特性密切相关,过去使用动物实验和体外生物力学实验方法对腰椎进行应力应变的分析很难达到预期的目的,现在可以用三维有限元分析法对脊柱进行精细的生物力学分析。随着有限元分析法在骨科生物力学研究中的应用,使得腰椎等部位数字模型的建立和有限元分析已成为可能。实验通过Mimics、Geomagic和AnsysApp,建立了正常脊柱腰段及骨质疏松三维有限元数字模型,为脊柱腰段各结构有限元力学分析搭建了一个数字化平台单一样本重复实验。
      对象:选取1名健康男性志愿者,25岁,身高175 cm,体质量70 kg,既往身体健康,无神经系统疾病家族史,预先行腰椎CT扫描排除腰椎器质性疾病。实验前告知志愿者相关内容,并征求其同意。
      主要设备及应用App:螺旋CT(西门子Somatom64型全身CT机)由医院提供,酷睿双核台式电脑(CPU:酷睿双核;内存:4 G;硬盘:500 G;显示器:21寸宽屏液晶;显卡:9600GT)由剖解教研室提供,Mimics11.0医用图像与三维重建App(Materialise企业),Geomagic9.0逆向工程App(Geomagic企业,美国),Ansys10.0App(ANSYS企业,美国)。
      方法:CT图像扫描:志愿者取仰卧位,将腰部固定做CT螺旋扫描。扫描范围包括第12胸椎至骶骨在内的所有骨及关节。螺旋扫描参数为:120 kV,36 mA,螺旋层厚0.699 mm,床进速度0.707 mm/s。最终得到239幅二维扫描断层图像,分辨率为512×512象素。CT扫描数据以DICOM格式存储到可读写光盘。MIMICS10.0建模:将CT扫描的DICOM文件导入AppMIMICS10.0,见图,利用App自带的阈值调整工具(Thresholding)提取轮廓,见图。将阈值界定在482-2 476 Hu,形成蒙皮(Mask),将骨与其他组织明显地区分开来。利用MIMICS10.0自带的3D生成(Calculate3D)功能,生成腰椎整体3D模型。利用选择性编辑(edit masks)去除毛刺、填补骨骼层内的假孔,使分割得到的骨骼模型表面光滑;去除冗余数据。最后,将MIMICS10.0处理好的腰椎3D模型进行格式转换,转为能为Geomagic9.0App所识别的STL三维图形格式输出并保存。
      利用App自带的阈值调整工具(Thresholding)提取椎间盘轮廓,在此基础上利用选择性编辑(edit masks)根据人体腰椎椎间盘结构人工手绘椎间盘模型,将手绘好的椎间盘模型选择性编辑处理后经过Calculate 3D生成各腰椎椎间盘3D模型。将生成的3D腰椎间盘模型导入光滑处理App(remesh)中进行光滑处理,得到光滑后的腰椎椎间盘模型。用同样方法生成前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带的3D模型。应用Geomagic9.0App,进行人体腰椎三维几何模型的后处理。将MIMICS10.0生成的三维图形文件导入逆向工程AppGeomagic9.0进行剪辑处理。经过点阶段、多边形阶段、成形阶段的处理最终生成能被ANSYS等有限元App所识别的IGES文件。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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