基于CT图像的侧凸脊柱胸腰段及骶骨整体三维有限元模型的建立

基于CT图像的侧凸脊柱胸腰段及骶骨整体三维有限元模型的建立 2012-07-19################2012-07-19#######2#012-07-19########基于CT图像的侧凸脊柱胸腰段及骶骨整体 三维有限元模型的建立 1211王哲 ，汪正宇 ，王冬梅 ，王成焘 (1.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240;2.上海交通大学 医学院附属仁济医院，上海 200127) 摘要:探讨 AIS 患者的胸椎 T,T、腰椎 L,L及骶骨整体三维有限元模型建立方法，建立侧凸脊柱胸腰段及骶骨整 11215 体三维有限元模型。对患者进行螺旋 CT 扫描，获得特发性脊柱侧凸患者 T至骶骨整段 DICOM 格式的 CT 数据文件。 1 通过图像、图形处理软件从 CT 数据中提取脊柱组织的轮廓信息，构建侧凸脊柱胸腰段及骶骨整体的三维几何模型，并 与现有文献中的模型进行对比分析。所建模型包括皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带等组织，共 102371 单元、132877 节 点。对比分析结果表明，同等边界条件下，利用该模型计算得到的脊柱各部位的应力和位移分布与文献中的结果基本吻 合。所建立的胸腰骶整体脊柱的三维有限元模型是有效、可靠的，为特发性侧凸脊柱的生物力学特性研究及临床矫形治 疗仿真提供数值分析平台，同时为患者个性化矫形支具设计的理论研究提供支持。 关键词:CT 图像;脊柱侧凸;有限元;生物力学 中图分类号:TP391.41 文献标识码:A 文章编号:1006,0316(2007)04,0024,03 Construction of finite element model of spine of a scoliotic adolescent and analysis of load 121 WANG Zhe，WANG Zheng-yu，WANG Dong-mei，WANG Cheng-tao(1.Department of Mechanical and Power Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China; 2.Renji Hospital，Medical school of Shanghai Jiaotong University ，Shanghai 200127，China) Abstract:To develop a finite element model of spine of a scoliotic adolescent，includingT -T，L-Land scrum;inquire into the method 11215 of the construction of finite element model with the purpose of biomechanical research in the pathogeny ，surgery. Data of spine of a scoliotic adolescent was obtained using spiral Computed tomography. By using a series of computer aided design software，patient-specific 3D finite element model of spine of a scoliotic adolescent was developed;compared with the moldel of the literature. 3D FEM of spine of AIS adolescent was established including 132877 nodes and 102371 elements; deformation and stress distribution under load was obtained. Key words:scoliosis;Finite element;biomechanica;lbrace design 说模拟 T-T青少年特发性脊柱侧弯畸形，模拟的脊柱侧凸是指脊柱的一个或数个节段侧向弯曲 410 [5]伴有椎体旋转的三维脊柱畸形。青少年特发性脊柱 脊柱侧凸形成过程与临床观察完全一致。Goto等 侧凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)在脊柱 用同样方法成功模拟脊柱侧凸畸形，研究发现骨形 成过程可减轻畸形，骨吸收过程则加重畸形。但以 侧凸发病中所占比例最高，严重危害青少年的身心 [1]健康。发病与矫形治疗的生物力学机理及矫形治 上研究所建立的模型精度较低，而且并未建立完整 疗优化一直以来为医工界专家、学者研究的热 的人体胸腰段脊柱。 [2]本研究拟通过 CT 扫描获得 Dicom 格式的 CT 点问之一。 [3]Viviani 于 1986 年最早将有限元方法应用在脊 数据，基于 CT 数据获得脊柱的轮廓曲线，利用 柱侧凸领域，用于指导手术矫正，并对矫正方案进 CAD/CAE 软件进行三维几何建模，在 ANSYS 软件 [4]前处理平台上构建 AIS 患者的胸椎 T,T、腰椎 行了优化。Azegami H等用有限元法按压缩屈曲学 112 ——————————————— 收稿日期:2007,01,10 2012-07-19################2012-07-19#######2#012-07-19######## L,L及骶骨的三维有限元模型，并利用本模型与 续的线弹性材料。明确各单元的材料性质，赋予各 15 [8][6]，对整个模 组织相应的材料参数(如表 1 所示)参考文献进行对比计算，分析转矩作用下脊柱旋 型采取半自动网格划分模式进行网格划分，共得到 转角度，以及压力作用下的应力和位移分布，证明 体单元 80003 个，节点 102362 个，壳单元 22232 个， 模型的有效性与可靠性，为侧凸脊柱的生物力学特 节点 30515 个，柔索单元 136 个。 性研究及治疗方案的生物力学优化提供数值分析平 台，为基于患者侧凸脊柱应力应变进行手术决策和 支具设计提供支持。 1 三维几何模型的建立 1.1 医学图像的获取 (a)正位图 (b)侧位图 图 1 侧凸脊柱几何模型 研究对象为一男性青少年，16 岁，AIS (King ?型)单胸弯。利用 32 排螺旋 CT(GE MEDICAL SYSTEMS，LightSpeed16，软件版本 LightSpeed- Apps405I.2_H4.0M5)从 T上缘至骶尾骨末端进行 1 连续扫描，扫描条件:12 0kV，250 mA，层距 1.25mm， 共扫描 513 层。 (a)正位图 (b)侧位图 1.2 几何模型的建立 图 2 侧凸脊柱有限元模型 根据 CT 数据的定标尺寸及 CT 扫描间距(CT 表 1 材料特性常数 层距为 1.25 mm)，对重建椎体在 XY 平面及 Z 轴方 名称 弹性模量(MPa) 泊松比 [7]向进行定标，用自开发的 GETCT软件提取 CT 图 12000.0 0.3 椎体骨密质 片上椎体的轮廓信息，获得整个脊柱外轮廓的点云 100.0 0.2 椎体骨松质 450.0 0.3 纤维环 髓核 坐标，将获得的点云坐标文件导入 IMAGEWARE 1.0 0.499 韧带软件中，重建出脊柱的线框模型。把线框模型导入 20 0.3 ANSYS 软件，进一步生成脊柱表面，得到脊柱的面 2.2 边界条件 模型，并进一步构建体模型。所建几何模型包括椎 体、横突、脊突、椎间盘、韧带，如图 1 所示。 根据脊柱的解剖学特点，在骶骨的两侧施加约 束，约束骶骨靠近髂骨处的平面的所有自由度。对2 三维有限元模型建立 T施加约束，限制住 T椎体 XY 方向自由度。1 1 2.1 网格划分 3 模型的验证 将获得的几何模型在 ANSYS 中划分网格，建 由于我们建立的是从 T-T，L-L包括骶骨在 11215 立脊柱的有限元模型，如图 2 所示。单元类型均为 内的整个胸腰段脊柱，国内外缺少同类的模型作对 十节点的四面体单元。因为整体模型数据量庞大， 比，所以很难验证整个脊柱模型计算结果的有效性。 为了简化建模过程而又不影响模型的力学相似性， 为此，我们选用与国外相同段的腰椎模型进行了对 椎体外表面用一层壳单元(shell)来模拟皮质骨， 比计算，以证明模型的有效性和可靠性。 [9]参照相关文献在椎体相应位置添加韧带，用索单 此外，取 L,S 节段进行分析，将 10 Nm 的力 5 元模拟韧带。所有材料均假设为各向同性、均匀连矩作用到椎骨 L的上表面。边界条件为约束骶骨靠 5 [8]近髂骨处的平面的所有自由度，与 Yamamoto实验 柱的模型结合起来，为矫形支具的设计提供力学评 结果进行比较，本研究得到的模型计算结果与其实 价的平台，为支具设计提供理论支持。 综上所述，本验结果吻合得较好，如图 3 所示。 研究建立的整个侧凸脊柱的模型， 在材料、几何、边界、载荷上都具有较好的相似性， 4 结果与讨论 通过两个对比分析证实了模型的可靠性与有效性， 为脊柱侧凸的力学矫正方案优化研究，矫正机理的 本研究运用快速有限元建模方法，成功建立了 探讨提供可靠的数值分析平台，为矫形支具设计提 特发性脊柱侧凸的有限元模型。本模型包括了胸椎 供理论研究支撑，并为医患交流提供数字窗口。 T,T，腰椎 L,L，以及骶骨，根据人类脊柱的 11215 解剖特点模拟了椎体的皮质骨、松质骨、纤维环、 5 结论 髓核、韧带、小关节、横突、棘突等结构。整个模 型单元划分采用了 3 种单元类型，5 种材料性质， 运用快速有限元建模方法，通过 CT 扫描，数 共划分了 102371 个单元，122923 个结点，模型形字图像处理，UG,imageware 软件和 ANSYS 软件 态与人体脊柱解剖形态有很好的几何相似性，该模 进行建模网格划分，成功建立了特发性脊柱侧凸的 型可以用于进一步的生物力学分析。 有限元模型，用壳单元来描述皮质骨的力学行为， 10Nm 力矩作用下 L-S 转动角度 510Nm力矩作用下L5,S转动角度 起到了简化的作用，而且也得到了满意的模拟效果。 12 12 10) 8 Yamamoto实验结果 参考文献: 8 6 本文结果 degree degree 6[1]Aubin, C.E.，Labelle，H.，Ruszkowski，A.，et al J.，1999. Variability 4 10 2 4of strap tension in brace treatment for adolescent idiopathic scoliosis. 0 2 Spine 24 (4)，349–354. ) ( 旋转角度( 0 度 [2] D. Gignac C.-É. Aubin J. Dansereau H. Labelle Optimization method 角 转 前俯 后仰 左侧弯 右侧弯 左回转 右回转前俯 后仰 左侧弯 右侧弯 左回转 右回转 旋 for 3D bracing correction of scoliosis using a finite element model Eur 图 3 10 Nm 力矩作用下 L,S 转动角度比较 5Spine J (2000)9 :185–190. [3]Viviani ， G.R. ， et al. ， Biomechanical analysis and simulation of scoliosis surgical correction. Clin Orthop Relat Res，1986(208): p. 40-7. 脊椎皮质骨和松质骨材料力学参数值相差较 [4]Azegami II，Murachi S，Kitoh J，et al. Etiology of idiopathic scoliosis [6] 大，Totoribe所著文献中皮质骨弹性模量为 12000computational study. Clinjcal Orthopaedics & Related Research，1998， (357): 229–36. MPa，而松质骨为 100 MPa。人体脊椎骨的结构， [5]Goto M，Kawakami N，Azegami H，et al. Buckling and bone modeling 从力学角度来讲是极为理想的结构，皮质骨和松质 as factors in the development of idiopathic scolisis. J Biomech Eng， 2002，124(6): 784–90. 骨结构虽然弹性模量不同，但其理想的结构并没有 [6]Koji Totoribe，Naoya Tajima ，Etsuo Chosa A biomechanical study of 使皮质骨和松质骨之间存在明显的应力遮挡或应力 posterolateral lumbar fusion using a three-dimensional nonlinear finite 集中的界面。本研究在建模中考虑模型的复杂性没 element method J Orthop Sci(1999)4: 115–126. [7] 钱西汉，王成焘. 定做式假体中的三维重建[J]. 现代机械，1999.有构建皮质骨的实体模型，但在网格划分时考虑了 [8] Yamamoto I，Panjabi MM，Crisco T， Oxland T. Three-dimensional 皮质骨对整体模型的贡献，用壳单元来描述皮质骨 movements of the whole lumbar spine and lumbosacral joint [J] Spine， 的力学行为。分析结果表明，椎体没有明显的应力 1989, 12: 1256–1260. [9]戴立杨，屠开元，徐印钦，等. 腰椎韧带的三维有限元分析[J]. 第 集中和应力遮挡的情况，这与实际情况一致，且与 二军医大学学报，1992，13(2): 133–6. 文献研究结果吻合。说明采用壳单元的厚度符合实 [10]戴虹，吕东辉，等. 基于 CT 序列图像的活体距骨分割及三维重 建[J](微计算机信息，2006. 际情况，对皮质骨力学行为的仿真效果是满意的。 在进一步的研究中将会从结构上、材料性能上 完善 模型，考虑材料的非线性行为，提高模型的材 料相 似性;考虑软组织的约束作用，提高边界条件 的相 似性;增加肋骨的模型，将肋骨模型与侧凸脊 Your requestcould not be processed becauseof a configurationerror: "Could not connect to LDAPserver." For assistance,contact your network support team. file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt 涵盖各行业最丰富完备的资料文献,最前瞻权威的行业动态,是专业人士的不二选择。 file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt2012/8/26 12:19:58