基于CT及逆向工程软件构建正常人体骨盆三维有限元模型

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.40.021

摘要/Abstract

摘要：

背景：骨盆是人体骨骼中形态及结构最复杂的部分，许多学者一直致力于其生物力学的研究。由于骨盆形状极其不规则，所附着肌肉及韧带解剖结构复杂，建立精确的包含主要肌肉及人韧带的骨盆有限元模型十分困难。

目的：建立正常成年人骨盆的三维有限元模型，为后续骨盆的生物力学分析提供数字模型。

方法：采集健康成年男性志愿者的骨盆CT数据，将DICOM格式的CT图像导入医学影像三维重建软件Mimics 10.0进行图像的分割及三维重建，将导出文件导入逆向工程软件Geomagic studio 11中对图像进行曲面化处理，建立曲面模型，使其更加光顺，将生成的曲面模型导入有限元分析软件Ansys 14.0中进行有限元网格划分。

结果与结论：建立了正常成年人骨盆的三维有限元模型，总单元数为818 294个，总节点数为149 290个。课题基于健康成年男性志愿者的骨盆CT图像建立骨盆有限元模型，所得的模型精确度高、逼真、具有良好的解剖及几何相似性，可为下一步骨盆的生物力学分析提供基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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关键词: 植入物, 数字化骨科, 逆向工程软件技术, CT扫描, 骨盆, 有限元模型

Abstract:

BACKGROUND: Pelvis is the most complicated structure of human body, and many scholars have devoted themselves to its biomechanical study. However, it is difficult to construct the pelvic finite element model containing main muscles and ligaments, as a result of its irregular shape and complicated structure.

OBJECTIVE: To establish a normal human pelvis three-dimensional finite element model and provide digital model for the subsequent biomechanics analysis of pelvis.

METHODS: Pelvic CT images of healthy male volunteers were stored in DICOM format and then put into Mimics 10.01 software for three-dimensional medical image reconstruction. The files were imported into reverse engineering software Geomagic studio 11 for surface processing and establishing surface model; then the surface model was introduced into finite element analysis software Ansys 14.0 for finite element meshing.

RESULTS AND CONCLUSION: A normal adult pelvis three-dimensional finite element model was developed, including 818 294 units and 149 290 nodes. Based on the CT images, we established pelvic finite element model, which have good accuracy, anatomical and geometric similarity, and could provide the basis for subsequent biomechanics analysis of pelvis.

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Key words: pelvis, three-dimensional, imaging, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 1

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引言

髋骨是由髂骨、耻骨、坐骨三部分组成的骨性复合体，其形态及解剖结构复杂。骨盆是人体骨骼中形态及结构最复杂的部分，许多学者一直致力于其生物力学的研究。随着计算机技术的发展，有限元分析法逐渐成为许多骨科学者研究骨盆的有效工具，它在骨盆肿瘤行半骨盆切除后骨盆环的生物力学重建^[1]、骨盆假体的安全性及效果评估^[2-3]、内固定后骨盆的生物力学稳定性评估^[4-6]、全髋关节置换后的股骨及假体生物力学研究等方面用途广泛^[7-8]。

骨盆的主要组成部分为强度较低的骨松质，在其表面有2层薄而致密的骨密质，共同组成其“三明治”结构^[9]，由于骨盆的结构及解剖的复杂性，建立正常成年人骨盆的三维有限元模型并对其进行有限元分析较为困难。自从1972年Brekelmans等^[10]首次将有限元模型应用到骨科以来，随着计算机软件技术及数字骨科学的飞速发展，有限元法逐渐成为研究骨盆生物力学的常用工具。建立骨盆有限元模型的方法很多，以往国内很多医院的CT机缺少数据输出的功能，建立有限元模型多采用CT图像的扫描或照相技术，将平面图像信息转化为数据信息，导入电脑进行处理。后来，许多学者直接将CT图像转化为BMP格式的文件，然后描绘出目标的轮廓线，再建立有限元模型^[11]。上述两种方法，在图像的处理及转化过程中，不可避免的产生数据的丢失。

现在国内文献报道较多的为基于CT的DICOM格式图像的建模法^[12-13]。此类格式的图像可以直接导入相关软件中，整个建模过程为全数字化处理，减少里数据丢失，最大限度上保证了模型的精确性。现阶段可以进行三维建模并进行有限元分析的技术及软件较多，有的研究者通过自己编写的程序来建立骨盆有限元模型^[14]，但其准确性及可靠性有待于进一步研究，而用得较多的是逆行工程软件，如三维重建软件Mimics、Geomagic、Abaqus等^[3^，^15-16]。

文章介绍了一种基于三维螺旋CT、逆向工程软件技术及有限元分析软件，通过较为合理、准确的处理图像，构建正常人体骨盆三维有限元模型的方法，以期为下一步模型添加主要韧带、生物力学分析及相关临床研究提供基础。

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材料方法

设计：三维有限元分析。

时间及地点：于2014年2至4月在郴州市第一人民医院骨科二区完成。

对象：选取1名在郴州市第一人民医院体检身体健康的成年男性作为志愿者，40岁，该男性骨盆发育正常、无骨质病变及解剖学异常，对试验方案知情同意，且得到医院伦理委员会批准。

试验材料：①成年男性志愿者骨盆。②GE公司Light Speed 16排螺旋CT。③软件：Mimics10.0、Geomagic studio 11、UG NX 6.0及Ansys。④计算机(联想G480，Windows XP操作系统)。

方法：

CT图像的采集：选取1名身体健康的成年男性作为志愿者，应用GE公司Light Speed 16排螺旋CT自L₃椎体至股骨小转子下5 cm扫描，共得到厚度为0.625 mm的图像588张，以DICOM格式存入CT机，刻录光盘，从而得到表示骨盆每层横截面的图像。

图像的分割及三维重建：

生成蒙板：将收集的DICOM格式的图像导入Mimics10.01中，生成蒙板。根据人体组织不同的灰度值，将软组织及骨骼区分开来，并设定阈值，其阈值上限为 1 701，下限为226；设定窗宽为350(GV)，窗位为0(GV)。生成蒙板，故灰度值处于226-1 701区间内的象素点均处于蒙板内。

编辑蒙板(Edit Masks)：在提取图像的过程中，难免会产生噪声点，利用所学的专业解剖知识，对髋骨的CT断层图像进行蒙版编辑。擦除(erase)代表脊柱及股骨的部分，涂匀(draw)图像中代表髋骨及骶骨的部分(不超过其轮廓范围)。

生成3D模型：将上述涂匀后的图像经过区域增长，生成3D模型，所生成的骨盆3D模型基本符合其实际解剖形态，以STL(Standard Template Library)格式输出，生成的骨盆3D实体模型如图1所示。

曲面模型的优化：对Mimics导出的模型进行表面光顺处理，使模型变得光顺及准确。应用美国Raindrop 公司研发的逆向建模软件Geomagic studio 8.0中的CAD模块对Mimics10.01输出的模型进行曲面优化。利用多边形里“删除钉状物”、“减少噪声”、“细化”、“打磨”等功能对骨盆的三维模型进行处理，使骨盆模型变得更加光顺，更接近其真实解剖形态；利用“自动曲面化”功能，建立骨盆的真实曲面模型，如图2A所示，并以IGES格式输出。

有限元网格划分：将上述曲面模型导入Ansys 14.0中，利用Ansys中的MeshTool工具划分网格，如图2B所示。

主要观察指标：骨盆三维有限元模型的网格划分结果。

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讨论

3.1 建立骨盆三维有限元模型的意义 有限元法是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法，随着计算机软件技术的发展，有限元法在在医学方面的应用越来越广泛。有限元法可以对正常及病理状态下的骨进行有限元分析，能够通过生物力学实验，帮助人们了解骨折的发生机制，为内固定系统的研发提供生物力学依据^[17]。有限元法在骨盆的生物力学研究中具有非常重要的地位，以往对于骨盆的生物力学分析多是在尸体、骨盆标本及模型上做力学实验，进行相关的应力分析，这些传统的力学方法受人为因素影响较大，实验中的变量难以控制，其逼真性相对较差。自1956年提出有限元的概念以来，有限元分析法飞速发展，逐步成为了人体骨骼力学分析的非常有用的工具，其建模的方法精确度越来越高，模型的条件越来越接近正常标本，结果具有较高的仿真度及可信性，而且其可操控性强，受试验条件影响小。

国内外学者在建立骨盆有限元模型的方法上，进行了长期的探索。1990年Keyak等^[18]提出了利用CT数据自动生成骨骼有限元模型的方法，此方法相对于基于轮廓的建模方法，在建模时间上显著缩短，但受当时技术上的限制，在细节上存在一定问题，而且一定程度上影响了模型在生物力学计算上的准确性。1995年Dalstra等^[19]按特定的方向及厚度将浸泡过聚酯树脂并硬化的髋骨进行切割，通过笛卡尔坐标系统及相应电脑程序对每个切割面的轮廓进行数字化处理，首次建立了比较详细、成熟的骨盆三维有限元模型，并且详细描述了髋骨皮质骨的应力分布情况，由于计算机软件技术的限制，此方法建立的骨盆三维有限元模型误差较大，不能很好的代表真实骨盆。近几年来，国内外学者越来越多的采用基于DICM格式CT图像的建模法建立骨盆三维有限元模型，DICOM格式是美国国家电气制造商协会制定的医学图像存储与通讯的标准格式,其图像要比从CT胶片扫描获得的图像清洁、方便又不会引起因人为处理所造成的坐标误差^[20]。

汪光晔等^[12]通过获取DICOM格式CT图像，运用Mimics软件行三维重建，利用有限元分析软件PATRAN 2005R2构建了包含肌肉及头臼作用力的标准步态下骨盆的三维有限元模型，并作了受力分析。高英超等^[21]获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像，利用CT数据通过Mimics 10.0对图像数据进行重建，利用Geomagic，Proe5.0建立了一个包含骨盆主要韧带的骨盆三维有限元模型，模拟坐位时骨盆受力环境，并计算该环境下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。Hao等^[22]基于DICOM格式CT图像应用三维重建软件Mimic 13.1及有限元分析软件ABAQUS v6.8，建立了3种不同条件下的骨盆三维有限元模型，并分别研究了其生物力学特征。随着研究的深入，其用途越来越广泛，许多学者的研究已经不仅仅局限在骨盆三维有限元模型的生物力学分析，现在更多的与临床结合,有的学者将有限元法应用于法学^[23^，^15]。

廖胜辉等^[7]将CT图像导入E-feature Biomedical Modeler进行实体建模，随后将三维模型导入扩展的生物力学有限元网格划分器进行有限元分析，研究了3种不同手术方法中臼杯假体对全髋关节置换的影响。Ji等^[3]通过将CT图像导入Mimics 12.0进行编辑和重建，导出的图像经过Abaqus 6.7进行有限元分析，得到了包括骶骨及主要韧带的正常骨盆及组合式半骨盆假体重建后骨盆的有限元模型，并对人体站立时两骨盆有限元模型进行生物力学分析，得出2种模型骨盆换上的应力分布无明显差异。李维新等^[24]在正常骨盆螺旋CT扫描的基础上，通过Mimics 10.0及Solid works 2010获得模拟螺钉内固定治疗髋臼横形骨折的模型，并将其导入Ansys 12.1中，对前柱、后柱、双柱3种螺钉内固定置入方法进行了有限元静力分析比较。Shim等^[25]对由激光扫描仪获得的点云数据进行拼接、成面、简体等处理，建立骨盆有限元模型，对比分析了通过拉力螺钉内固定或是钢板内固定2种方式治疗髋臼后柱骨折后的稳定性及骨折块的移位程度，此方法只能对物体表面轮廓进行扫描，对于激光束无法扫到的地方不能获得其点云文件。Bréaud等^[26]应用一种特殊的计算机程序，通过提取DICOM格式CT图像的感兴趣区轮廓，将其导入HyperMesh软件中，建立了骨盆三维有限元模型，并详细研究了骨盆环骨折与后尿道损伤的关系。

3.2 本研究的特色及局限性 本研究基于DICOM格式的CT图像，采用医学三维重建软件Mimics 10.01、逆向工程软件Geomagic studio 11，结合有限元分析软件Ansys 14.0建立了符合骨盆实际形状的骨盆三维有限元模型，整个有限元建模过程实现全数据化处理，减小了图像的失真，避免了数据处理过程中关键信息的丢失，最大程度上保证了所建模型的准确性，能从力学上代表实物。本研究将图像直接导入三维重建软件Mimics的过程中，未经过任何格式转换的步骤，避免了格式转换、CT胶片扫描或照相、描绘轮廓及生成点云过程中的数据丢失；由于扫描时受试对象与CT机的相对运动及CT机本身的误差，由Mimics导出的模型表面多少存在一些缺陷，如模型表面凹凸不平、有坏面等，所以作者利用逆向工程软件Geomagic Studio进行曲面优化，得到更加准确、美观、接近其真实形态的模型。所建立的模型各项参数显示错误率为0，所建立模型准确性较高，本研究可以为后续的的骨盆生物力学等研究奠定基础。

本研究也存在一些局限性。第一，准确真实的数据来源是建立有限元模型的基础，原始数据与真实数据间存在误差，因为扫描时志愿者的移动，扫描的厚度等都会对其有影响；第二，本研究旨在初步探索骨盆有限元三维重建的方法，为了减小建模及有限元分析的难度，未将肌肉及韧带引入骨盆三维有限元模型中，考虑到骨盆的主要韧带及肌肉所骨盆的应力分布可以产生影响，故而在后续的研究中会逐步完善，希望其他研究者能够提出更加完善、实用的骨盆有限元建模方法；第三，有限元法本身存在一定缺陷，作者所建立的数字模型不可能将人体相应部分的全部信息都概括，因而会存在一些假设和简化，从而影响结果的准确性。这就需要有限元分析与人体生物力学实验及临床资料进行比较，相互印证、相互促进，开创新的建模方法。

随着数字骨科学的飞速发展，有限元分析法在骨科的应用会有越来越广的前景。随着对骨骼力学特征的拓展以及有相关软件的不断开发与完善，有限元三维重建的方法将会更加实用、简洁，所建立的有限元三维重建模型将会更加接近人体的真实情况，有限元分法将能对患者进行个体化分析，帮助医生对患者个体化诊断、制定手术计划、术后评估等，对骨科领域产生深远的意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
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