基于CT圖像構建顱骨三維模型及顱骨凹陷性骨折的有限元分析研究.pdf

1、目的:
　　 1.在普通PC機上建立顱骨的局部三維可視化數(shù)字模型,準確反映其復雜的解剖結構及空間毗鄰關系,獲得一種基于CT圖像構建顱骨三維模型的制作方法,為臨床顱腦疾患的診斷和治療提供形象可靠的解剖學資料。
　　 2.建立顱骨的三維有限元模型,通過加載載荷及設定邊界條件等力學參數(shù),探討顱骨發(fā)生凹陷骨折的臨界生物力學基礎和凹陷骨折的好發(fā)部位及顱骨受到外力后的應力變化,為研究顱腦損傷特別是顱骨凹陷骨折的生物力學特性開辟一種行

2、之有效的方法。
　　 方法:
　　 1.對三位志愿者進行64排螺旋CT(西門子Somatom64型全身CT機)掃描,層厚1mm,層間距0.6mm,掃描范圍包括完整頭部,獲得完整頭部CT數(shù)據(jù),選取較符合國人平均標準的1名健康志愿者的CT斷層圖像,掃描圖片共158張,實際建模采用中間有效部位148張,將數(shù)據(jù)存入可讀寫光盤,存儲格式為DICOM3.0。
　　 2.在PC機上,利用醫(yī)用圖像與三維重建軟件MIMICS10.

3、01的圖像導入(Import Images)功能將CT圖像導入,定位后自動生成冠狀面、矢狀面及軸位圖像,利用軟件自帶的閾值設定工具(Thresholding)提取輪廓,界定閾值在230～3080Hu,形成蒙面(Mask)。利用區(qū)域增長工具(Regiongrowing)選擇熱區(qū),逐層刪除位于其他部位具有和骨骼相同灰度的組織處的標記,并手工補全骨骼中未被標記的部分。點擊Segmentation下拉菜單中的Calculate3D生成顱骨的三維

4、可視化模型。將模型導入逆向工程軟件Geomagic studio9,進行光滑及除噪處理,生成的實體模型經(jīng)過組裝,獲得三維實體顱骨模型,并經(jīng)過解剖學數(shù)據(jù)驗證。
　　 3.將生成的三維實體模型導入有限元分析軟件ANSYS9.0中,定義顱骨為各項同性線彈性材料,選用ANSYS9.0中的三維10節(jié)點四面體結構實體單元(Solid92),根據(jù)文獻報道中模型材料參數(shù)確定本實驗顱骨相應參數(shù)為:楊氏模量E=10000 MPa,泊松比為0.22,

5、密度為1800 kg/m3。應用ANSYS中智能尺寸網(wǎng)格劃分功能進行網(wǎng)格劃分,局部部位實行細化(Mesh Refinement),進行控制,最終得到顱骨的三維有限元模型。
　　 4.為減小計算量并考慮顱骨解剖特點,將前面生成的顱骨三維有限元模型簡化,去掉面顱部分。限定邊界條件為顱底平面全約束,均布載荷4MPa垂直骨面分別施加右額部、右頂部、左額部、左頂部,進入計算(solve)過程,計算結束后,進入后處理模塊讀取數(shù)據(jù)(Mises

6、應力,單位:Mpa)并顯示應力等值線圖。與文獻中報道的有限元模型數(shù)據(jù)基本吻合,證明本有限元模型有效可用。
　　 5.繼續(xù)針對本模型,采用ANSYS9.0中的屈曲分析模式,施加同樣的邊界約束和載荷后進行求解,計算出能使顱骨右頂部、頂部正中、右額部等不同部位發(fā)生凹陷骨折的臨界載荷,得出變形后的最大應力及應力分布等值線圖。
　　 結果:
　　 1.通過本課題的研究,獲得了一種基于CT斷層圖像數(shù)據(jù),在普通PC機上應用Mi

7、mics10.01軟件生成的快捷準確的顱骨局部三維可視化數(shù)字模型,模型包括完整的額骨、頂骨、枕骨、顳骨、蝶骨、篩骨等,準確反映了其復雜的解剖結構及空間毗鄰關系,為臨床顱腦部位疾患的診斷和治療疾病提供形象可靠的解剖學資料。
　　 2.通過逆向工程軟件Geomagic studio9建立了由額骨、頂骨、枕骨、顳骨、蝶骨、篩骨等共同組成的顱骨的實體模型,由于成年人骨縫閉合,所以將其視為一個整體。導入ANSYS9.0中對實體模型劃分網(wǎng)格

8、,得到顱骨的三維有限元模型,共有81534個節(jié)點,29743個單元。
　　 3.限定邊界條件,均布載荷4MPa垂直骨面分別施加右額部、右頂部、左額部、左頂部,得出不同部位最大應力(Mises應力,單位:Mpa)并顯示應力等值線圖,右額部41.337；左額部27.662；右頂部47.732；左頂部52.169。
　　 4.采用ANSYS9.0中的屈曲分析模式,獲得了發(fā)生顱骨凹陷骨折(頂骨凹陷、頂部正中凹陷、額骨凹陷)所需的

9、臨界載荷(Mpa):右頂部429.548;頂部正中679.211;右額部565.942。得出顱骨凹陷變形后所承受的應力分布等值線圖及最大應力:右頂部307.951；頂部337.021；右額部412.177。
　　 結論:
　　 1.通過本課題的研究,獲得了一種基于CT斷層圖像數(shù)據(jù),在普通PC機上應用醫(yī)學圖像處理軟件生成快捷準確的顱骨局部三維可視化數(shù)字模型的方法。
　　 2.建立的顱骨有限元模型,外形逼真,幾何相似

10、性及生物力學特性經(jīng)過驗汪,可以用來進行生物力學研究。成功制作出了顱骨凹陷骨折(額骨凹陷骨折、頂骨凹陷骨折、頂部正中凹陷骨折)的有限元模型。
　　 3.通過有限元分析得出:顱骨遭受外力作用下,頂部相比額部對于應力來說是更為敏感的部位,同樣的外力容易造成更嚴重的損傷。從凹陷骨折有限元分析的數(shù)據(jù)中看到右頂部的臨界載荷最小,說明此處較易發(fā)生凹陷骨折,與臨床中凹陷骨折好發(fā)于頂骨相一致,在一定程度上解釋了凹陷骨折好發(fā)于頂骨的原因。從凹陷后的