人體骨骼數(shù)字化重建及三維有限元分析.pdf

1、目的： 本課題擬將數(shù)字化技術應用于骨科臨床實踐，共進行兩個部分的研究。①脊柱側(cè)凸是臨床常見病，解剖復雜，且是包括矢狀面、冠狀面和水平面變化的三維立體畸形。術前了解脊柱畸形的全貌和細節(jié)對正確診斷分型、制定手術計劃、確定固定節(jié)段、選擇合適的椎弓根螺釘、估算螺釘進釘角度等非常重要。既是臨床工作的重點，對手術治療的成功必不可少；同時又是臨床上的難點，因為以往光靠X線、CT或MR等二維影像資料難以準確評價病變的實際情況。本課題第一部分，于

2、手術前對脊柱側(cè)凸病人進行病變脊柱的數(shù)字化三維重建，并應用快速成型(Rapidprototyping，RP)技術制作出畸形脊柱實體，以指導臨床診斷分型，手術設計及術前手術操練。②由于骨盆標本很難得到，加之其解剖結(jié)構(gòu)復雜，力的傳導呈各向異性，各研究者制作的骨盆標本統(tǒng)一性比較差等原因，用實驗力學方法難以對骨盆受力作出全面而準確的分析，目前對骨盆的力學分析還處于極其粗糙的階段。有限元法因為其結(jié)果不受樣本數(shù)量限制，實驗誤差小，重復性好等優(yōu)點，正日

3、益成為骨盆生物力學研究的重要手段。本課題第二部分對正常成人骨盆進行數(shù)字化重建，并在此基礎上對骨盆的受力及損傷機制進行三維有限元分析(FiIliteelementanalysis，F(xiàn)EA)。 第一章：脊柱側(cè)凸的數(shù)字化三維重建及快速成型 第一節(jié)、脊柱側(cè)凸的數(shù)字化三維重建 材料和方法： 隨機選取2007年7月～2007年9月收治的6例脊柱側(cè)凸畸形患者，年齡6-21歲，平均14.0歲，其中男1例，女5例，特發(fā)性脊

4、柱側(cè)凸4例，先天性側(cè)凸2例。術前均進行脊柱PET-CT斷層掃描，掃描層厚1mm，獲得脊柱的細間距斷面圖像，以DICOM格式保存于光盤；輸入個人計算機，應用Mimics8.1軟件進行三維數(shù)字化重建。重建步驟包括先將數(shù)據(jù)導入Mimics，然后進行圖像分割，利用軟件的3D重建功能對感興趣的部分進行重建，得到脊柱和相鄰骨性結(jié)構(gòu)如肋骨、骨盆等的三維重建圖像。再對圖像進行各種所需的觀察和測量。 結(jié)果： 本組6例患者全部進行脊柱的數(shù)字

5、化三維重建，得到病變脊柱的三維立體圖像。通過對3D模型進行旋轉(zhuǎn)、平移等操作，結(jié)合觀察軸位、冠狀位及矢狀位二維圖像，可以方便地從任意角度和方向觀察脊柱畸形情況，測量有關的數(shù)據(jù)：包括側(cè)凸、后凸、旋轉(zhuǎn)畸形的程度、范圍、包含的節(jié)段；各椎體及附件的相鄰關系、形態(tài)；椎弓根的橫徑、矢狀徑；相關骨性結(jié)構(gòu)如胸廓、骨盆的毗鄰關系、變形情況等等。籍此更全面、更清晰地了解病變的整體及細節(jié)。還可以在數(shù)字化模型上進行手術設計，模擬內(nèi)固定器械植入操作等。 第

6、二節(jié)、脊柱側(cè)凸畸形的快速成型及臨床應用 材料和方法： 在第一節(jié)三維重建的基礎上，將患者脊柱的三維重建結(jié)果以STL格式輸出，應用計算機輔助逐層堆積快速成型技術，在快速成型機上以光敏樹脂材料制作病變脊柱的1:1實體模型。根據(jù)模型可以直觀地了解病變脊柱的各種信息，進行手術設計，模擬打釘操作等。術中還可以將模型帶入手術室，供術者參考。 結(jié)果： 本組6例患者入院后均進行數(shù)字化人體脊柱三維重建和快速成型，全部行手術治

7、療。術中見畸形表現(xiàn)與術前重建所示完全一致，快速成型模型與病變脊柱的形態(tài)、尺寸完全吻合，準確、直觀地反映了畸形病變的具體狀況。所有患者均按計劃完成了手術，手術過程順利，術后效果良好，未出現(xiàn)神經(jīng)、血管損傷等并發(fā)癥。術后X線和CT復查矯形效果滿意，顯示椎弓根螺釘位置正確。 結(jié)論： 隨著數(shù)字化人體技術和快速成型技術的飛速發(fā)展，將之應用于脊柱病變的診斷和治療成為可能。本研究證明了這一技術應用于臨床的可行性和可靠性。對脊柱側(cè)凸患者，

8、臨床醫(yī)生采集CT掃描數(shù)據(jù)進行數(shù)字化三維重建，利用快速成型技術生成實體模型，可以直觀地觀察脊柱畸形的具體病變情況，進行手術計劃，模擬手術操作，還可以更有效地與患者及家屬進行溝通。加深了醫(yī)生對疾病的理解，促進了手術治療效果的提高。 第二章：骨盆的數(shù)字化重建及三維有限元分析 第一節(jié)、骨盆三維有限元模型的建立 材料和方法： 一例中年男性正常志愿者(35歲)，經(jīng)X線、B超檢查排除骨盆損傷、腫瘤、畸形等病變，進行PE

9、T-CT掃描，層厚1mm，得到的二維原始圖像以DICOM格式輸出，導入個人電腦。采用Mimics8.1軟件進行骨盆的數(shù)字化三維重建，包括圖像輸入、分割、三維重建等步驟，結(jié)果以STL格式輸出(參考第一章內(nèi)容)。然后進行三維模型的后處理：利用Freeform軟件對模型進行平滑、除噪點、鋪面等修飾處理，結(jié)果以有限元分析軟件能夠接受的IGES格式輸出。將經(jīng)過Freeform軟件修飾后的IGES格式存貯的骨盆三維實體模型導入到有限元分析軟件ANS

10、YS9.0中，定義模型的單位，設定實常數(shù)，定義材料屬性，添加韌帶等骨盆附屬結(jié)構(gòu)，進行網(wǎng)格劃分，最終建立有限元模型。 結(jié)果： 在ANSYS軟件中得到了一個完整的骨盆有限元模型，包括骨性結(jié)構(gòu)及韌帶、關節(jié)軟骨等組織。該模型共建立節(jié)點241277個，單元155194個。可以在此基礎上對骨盆進行加載，破壞，模擬各種手術(如復位、上內(nèi)固定等)操作等。 第二節(jié)、骨盆靜載荷作用下的有限元分析 材料和方法： 在第一

11、節(jié)中建立的骨盆有限元模型中，模擬人體雙腿直立位的生理姿勢，向骨盆施加軸向載荷。具體方式為約束雙側(cè)髖臼，向骶骨椎體上表面垂直加壓，壓力均勻分布于各個結(jié)點。所加載荷大小為500N，在ANSYS軟件中進行非線性應力分析求解。完成之后進行應力、應變、位移等分析求解過程，求解結(jié)束之后采用該有限元分析軟件的后處理功能，得出應力云圖、應變云圖、位移云圖等結(jié)果，結(jié)合臨床進行結(jié)果分析。 結(jié)果： 兩側(cè)髂骨應力分布情況完全一致，應力經(jīng)兩側(cè)骶骨

12、翼、骶髂關節(jié)，斜向下方經(jīng)過坐骨大切跡附近，髂骨中央弓狀線，傳導至兩側(cè)髖臼。其中以骨盆背面坐骨大切跡附近所受應力最大，為0.434E+07(Pa)。骨盆前環(huán)即恥骨支和恥骨聯(lián)合受力較小。表明骨盆的主要負重和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)位于后方，前方結(jié)構(gòu)的功能以支撐為主。應變集中在兩側(cè)骶髂關節(jié)，絕對值很小，約0.004527-0.022633，前方的恥骨聯(lián)合處應變極小，可忽略不計；其余骨性部分無應變。骶骨背側(cè)的骶正中嵴位移最大，達0.164E-03m(即0.16

13、4mm)。以此為中心，移位向兩側(cè)擴散直至髂骨翼部分逐漸減弱至0。 第三節(jié)、外旋應力作用下骨盆的三維有限元分析 材料和方法 在第一節(jié)建立的骨盆有限元模型中，約束骶骨，向左側(cè)髂前上棘施加500N水平向后的載荷，模擬骨盆受到外旋應力時的受力情況。 結(jié)果： 在外旋載荷作用下，應力沿兩條途徑傳導：一條是向內(nèi)后方經(jīng)同側(cè)骶髂關節(jié)前部至骶骨上部，另一條是向前方經(jīng)同側(cè)恥骨支、恥骨聯(lián)合至對側(cè)恥骨。最大應力出現(xiàn)在同側(cè)骶

14、骨岬部，為0.240E+08(Pa)，最小應力出現(xiàn)在同側(cè)骶髂關節(jié)上半部。與垂直加載時應力分布不同的是，在此狀態(tài)下骨盆前環(huán)受力較大。利用ANSYS軟件的切割功能，單獨對小骨盆進行應力分析，發(fā)現(xiàn)在骨盆前環(huán)中，同側(cè)恥骨上支中段偏前下方處應力為前環(huán)中最大的，為0.0142E+08(Pa)，對側(cè)恥骨上支中段及兩側(cè)恥骨下支所受應力也比較大。同側(cè)骶髂關節(jié)前下方應變最大達0.35，后上方應變最小；對側(cè)骶髂關節(jié)應力很小。前方的恥骨聯(lián)合處應變也較大，達0.

15、22。位移以受力點一該側(cè)髂前上棘處最大，達0.0035m。同側(cè)的髂骨、坐骨及恥骨支位移均較大，對側(cè)恥骨支及髂骨外側(cè)半位移較小。位移最小的部位是同側(cè)骶髂關節(jié)上半部。 第四節(jié)、骨盆損傷內(nèi)固定的三維有限元分析 材料和方法： 在骨盆有限元模型中，模擬一側(cè)骶髂關節(jié)脫位后，于受傷側(cè)關節(jié)前方上接骨板螺釘內(nèi)固定。對內(nèi)固定的骨盆分別施加500N軸向載荷及外旋載荷，進行受力分析。 結(jié)果： 垂直加載時，內(nèi)固定系統(tǒng)處產(chǎn)生

16、了應力集中，其最大應力達0.599E+09(Pa)，約為正常骨盆的100倍。同時，損傷側(cè)關節(jié)因固定而失去了變形性，應變由完整骨盆的兩側(cè)關節(jié)對稱變?yōu)閮H正常側(cè)關節(jié)存在應變。位移分布圖則顯示固定側(cè)骶髂關節(jié)是整個骨盆中位移最大的部分，達0.342mm。 在外旋應力作用下，內(nèi)固定系統(tǒng)處同樣存在應力集中，達0.265E+10(Pa)。此時應變以前方的恥骨聯(lián)合處最大，是骨盆完整時該處應變的大約4.5倍。位移分布與完整狀態(tài)下的骨盆基本一致，受力

17、點處(左側(cè)髂前上棘)位移最大，內(nèi)固定側(cè)骶髂關節(jié)的位移極小，與正常狀態(tài)下相似。 結(jié)論： 本研究采用正常成年男性骨盆CT掃描的數(shù)據(jù)，輸入PC機后通過Mimics軟件重建數(shù)字化模型，結(jié)果再導入ANSYS軟件進行三維有限元建模和有限元分析。在垂直應力和外旋應力這兩種加載狀態(tài)中，骨盆的應力、應變及位移變化趨勢與采用尸體標本的實驗研究及理論認識基本一致，充分說明了模型的有效性和可靠性。并以該模型為平臺，模擬骨盆損傷(一側(cè)骶髂關節(jié)脫位