脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.09.001

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (9): 1521-1526.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.09.001

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脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立

李伟¹，张宏²，曹丽君¹，任国山¹，闫占平²，赵长义¹，高增敏¹

1河北医科大学解剖教研室，河北省石家庄市 050017
2石家庄医学高等专科学校解剖教研室，河北省石家庄市 050071

收稿日期:2012-05-24 修回日期:2012-08-29 出版日期:2013-02-26 发布日期:2013-02-26
通讯作者: 任国山，教授，硕士生导师，河北医科大学解剖教研室，河北省石家庄市 050017 Rengsh2004@126.com
作者简介:李伟★，男，1985年生，山东省招远市人，汉族，在读硕士，现在武警总医院影像科工作，主要从事数字影像解剖学研究。 jingshui1980@163.com

Establishment of normal lumbar and osteoporosis three-dimensional finite element models

Li Wei¹, Zhang Hong², Cao Li-jun¹, Ren Guo-shan¹, Yan Zhan-ping², Zhao Chang-yi¹, Gao Zeng-min¹

1 Department of Anatomy, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, Hebei Province, China 2 Department of Anatomy, Shijiazhuang Medical College, Shijiazhuang 050071, Hebei Province, China

Received:2012-05-24 Revised:2012-08-29 Online:2013-02-26 Published:2013-02-26
Contact: Ren Guo-shan, Professor, Master’s supervisor, Department of Anatomy, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, Hebei Province, China Rengsh2004@126.com
About author:Li Wei★, Studying for master’s degree, Department of Anatomy, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, Hebei Province, China jingshui1980@163.com

摘要/Abstract

摘要：

背景：建立逼真的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础，关于骨质疏松有限元模型的报道尚少。
目的：建立脊柱腰段各主要结构及骨质疏松腰椎的有限元数字模型，为正常脊柱腰段及骨质疏松患者腰椎的有限元力学分析打下基础。
方法：对1名健康男性志愿者行脊柱腰段的螺旋CT扫描，将所得图像先在Mimics中进行分隔和重建，在Geomagic中进行优化，在Ansys中赋材质及网格划分，建立三维有限元数字模型。
结果与结论：建立了包括全部腰椎、椎间盘及主要韧带的正常腰椎及骨质疏松腰椎三维有限元数字模型。该模型外形逼真，几何相似性好，可以随意旋转，方便从多角度观察、采集三维信息，各主要结构材料属性接近实际，适合进行生物力学研究。提示利用CT数据及mimics、geomagic、Ansys软件可以建立脊柱腰段正常及骨质疏松有限元数字模型。

关键词: 骨关节植入物, 人工假体, 脊柱, 腰段, 三维重建, 有限元, 数字模型, 骨质疏松, CT, 数字化, 影像医学, 生物力学, 省级基金, 骨关节植入物图片文章

Abstract:

BACKGROUND: Establishment of a realistic finite element model is the important basis for the finite element mechanics analysis of the spine. The reports on the finite element model of osteoporosis are less.
OBJECTIVE: To establish the main composition of the normal lumbar spine and osteoporosis lumbar vertebrae finite element digital model in order to lay the foundation for the finite element analysis of the normal lumbar spine and lumbar vertebrae of osteoporosis patients.
METHODS: One healthy male volunteer received the spiral CT scan on the lumbar spine, then the pictures were separated and reconstructed in Mimics, optimized in Geomagic, assigned material and meshed in Ansys, and finally the three-dimensional finite element digital model was established.
RESULTS AND CONCLUSION: The three-dimensional finite element digital models were established, including the lumbar spine, the intervertebral disc and the main ligament of normal and osteoporotic lumbar spine. This model was living with appearance, perfect with similarity. It could revolve arbitrary, so that the researchers could observe and collect the three-dimensional information from multiple perspectives, and the main structural and material properties were closed to the actual properties, which is suitable for biomechanical study. The CT data which is software (mimics, were geomagic and Ansys) can used to establish the normal lumbar spine and osteoporosis finite element digital models.

Key words: bone and joint implants, artificial prosthesis, spine, lumbar, three-dimensional reconstruction, finite element, digital model, osteoporosis, computed tomography, digitization, medical imaging, biomechanics, provincial grants-supported paper, photographs-containing paper of bone and joint implants

中图分类号:

R318

李伟，张宏，曹丽君，任国山，闫占平，赵长义，高增敏. 脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(9): 1521-1526.

Li Wei1, Zhang Hong, Cao Li-jun, Ren Guo-shan, Yan Zhan-ping, Zhao Chang-yi, Gao Zeng-min. Establishment of normal lumbar and osteoporosis three-dimensional finite element models[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(9): 1521-1526.

图/表（结果） 6

参考文献

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引言

材料方法

对象和方法
设计：单一样本重复实验。
时间及地点：于2009年11月至2011年3月在河北医科大学数字解剖学研究室完成。
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。
主要设备及应用软件：螺旋CT(西门子Somatom64型全身CT机)由河北医科大学第三医院提供，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)由河北医科大学解剖教研室提供，Mimics11.0医用图像与三维重建软件(Materialise公司)，Geomagic9.0逆向工程软件(Geomagic公司，美国)，Ansys10.0软件(ANSYS公司，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文件导入软件MIMICS10.0，见图1，利用软件自带的阈值调整工具(Thresholding)提取轮廓，见图2。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Geomagic9.0软件所识别的STL三维图形格式输出并保存。

利用软件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软件(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Geomagic9.0软件，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软件Geomagic9.0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等有限元软件所识别的IGES文件。

ANSYS10.0中有限元模型的生成。

将Geomagic9.0里生成的实体模型IGES文件，导入到有限元分析软件ANSYS10.0中，得到包括5块腰椎和4块椎间盘的实体模型并保存。对每个腰椎和椎间盘，用三维十节点四面体实体单元SOLID92进行网格划分。对椎骨进行骨皮质与骨松质的划分，材料参数设置见表1。对模型进行自动网格划分，局部(如椎体和椎间盘接触处)实施网格细化(Mesh Refinement)，最后得到比较满意的有限元模型。

腰椎骨质疏松模型的生成。

根据中国老年学学会骨质疏松委员会制定的诊断标准并参考世界卫生组织(WHO)的标准^[8]，在有限元软件ANSYS10.0中，应用其前处理模块中的赋值功能，将腰椎及椎间盘的弹性模量减少30%左右，见表2，得到骨质疏松腰椎及椎间盘的三维有限元模型。此模型经作者的后续研究及与其他实验对比证实符合骨质疏松腰椎生物力学模型要求^[9-16]。

主要观察指标：在ANSYS10.0中利用测量工具测量腰椎及腰椎间盘的各项几何参数，与正常人体解剖参数比较。

讨论

近年来，随着计算机技术的发展，使得有限元分析方法在生物力学研究领域得到了广泛的应用，也得到临床工作者的广泛关注，并日益成为研究热点^[21]。有限元方法临床应用的范围也更加广泛，涉及脊柱、肘关节、颅底、骨盆、膝关节、肌腱、假肢等领域^[22-30]。

脊柱腰段的解剖结构复杂，生理功能重要，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，发病率高达6.6%^[30]，它是导致老年人脊柱骨折的重要原因。利用患者的影像数据建立有限元数字模型，进而进行生物力学分析，对脊柱病变的预防、诊断及治疗都有重要意义。

实验建立的正常脊柱腰段及骨质疏松的三维有限元数字模型，可以旋转，方便从多角度进行观察；具有良好的几何相似性，适合用来进行生物力学研究。该模型的特点：①腰椎影像数据的采集，采用德国西门子公司Somatom64型全身CT机扫描，具有图像质量好，成像速度快，不遗漏病变等优点。实验采用薄层螺旋CT扫描技术，保证了三维重建数据的精度来源。②MIMICS10.0结合Geomagic9.0软件联合建立腰椎及椎间盘三维模型方便快速，最终生成的实体模型三维可视效果好，空间结构的测量精度高，单元划分精细，更加接近解剖特点和临床要求。所得到的图像格式可以导入大型工程力学软件Ansys，使对脊柱腰段各结构进行生物力学研究成为可能。③骨质疏松模型是根据CT值减量赋值，这样比较符合骨质疏松患者骨量减少的实际情况，模型的可信度较高。

实验建立了腰椎及椎间盘及骨质疏松的可视化三维模型，建成的模型可以任意旋转观察，随意选择感兴趣的部位，并对其余部位进行隐藏，这是CT机载软件所无法达到的。准确地反映了腰椎及椎间盘复杂的解剖结构和骨质疏松各结构之间的关系，为教学和临床诊断提供了可靠的资料，也为今后的有限元力学分析及模拟手术奠定了良好的基础。

致谢：感谢河北医科大学第二医院影像科提供影像学资料，感谢河北医科大学解剖教研室全体老师的无私帮助。
基金资助：河北省科技攻关项目(11276103D-16)。
作者贡献：实验设计主要由第一、四作者完成，实验实施、评估由第一、二、三和五作者完成，均经过正规培训，未采用盲法评估。
利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。
伦理要求：志愿者对试验方案知情同意，且得到医院伦理道德委员会批准。
作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。

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Establishment of normal lumbar and osteoporosis three-dimensional finite element models

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