基于CT圖像構(gòu)建的腰椎三維有限元模型

1、中國組織工程研究 第16卷 第26期 20120624出版Chinese Journal of Tissue Engineering Research June 24, 2012 Vol.16, No.26 P .O. Box 1200, Shenyang 110004 47601School of Mechanical Engineering of Zhengzhou University,Zhengzhou 450001, Henan Province,China; 2Department of Orthopedics, Liulintun Hospital of Luancheng,Lu

2、ancheng 051430, Hebei Province, ChinaLiu Zhi-hua , Doctor, Associate professor, Masters supervisor, School of Mechanical Engineering of Zhengzhou University,Zhengzhou 450001, Henan Province, Chinaliuzhihuazzu. Corresponding author: GuanWen-hao, Master, School of Mechanical Engineering of Zhengzhou U

3、niversity,Zhengzhou 450001, Henan Province, Chinaguanwenhao123 Received: 2011-12-01 Accepted: 2012-01-14基于CT 圖像構(gòu)建的腰椎三維有限元模型劉治華1,管文浩1,檀中奇2Establishing a three-dimensional finite element model of human lumbar spine based on CT imagesLiu Zhi-hua 1, Guan Wen-hao 1, Tan Zhong-qi 2AbstractBACKGROUND: Comp

4、ared with the method of experiment biomechanics, the finite element analysis methods have unique advantages. How to establish the lumbar spine finite element model accurately is the key point of the finite element analysis.OBJECTIVE: To develop a three-dimensional finite element model of human lumba

5、r spine for biomechanical studies. METHODS: A normal adult male lumbar spine was scanned by GE 64-slice spiral CT, which obtained 351-layer pictures in DICOM format, the three-dimensional reconstruction model was established by Mimics software, and then, the model was introduced into Solidworks in t

6、he format of .stl to create physical model. Finally, the model was introduced into Ansys software, a convenient finite element model was obtained after assigning parameters and meshing. The validity of the model was verified by comparing the result with that of the in vitro biomechanical experiments

7、.RESULTS AND CONCLUSION: The three-dimensional finite element model of lumbar spine was established smoothly and distinctly. There were 144 411 nodes and 88 742 units in the model. The model had a high accuracy, and it conveniently applied the load and constraints for the finite element analysis. Th

8、e way in this study was an exact and practical one to establish the finite element model of lumbar spine for clinical doctors. The model could simulate the lumbar spine biomechanical experiment.Liu ZH, Guan WH, Tan ZQ. Establishing a three-dimensional finite element model of human lumbar spine based

9、 on CT images.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2012;16(26: 4760-4764. 摘要背景:與實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)研究相比,有限元分析方法具有獨(dú)特的優(yōu)越性。如何準(zhǔn)確地構(gòu)建腰椎節(jié)段有限元模型是有限元分析的關(guān)鍵。目的:建立人體腰椎三維有限元模型用于生物力學(xué)分析。方法:利用GE 64排螺旋CT 對成年男性腰部進(jìn)行掃描,得到351層DICOM 格式斷層圖像,應(yīng)用Mimics 軟件進(jìn)行三維重建,將所得模型以.stl 格式導(dǎo)入Solidworks ,生成實(shí)體模型,最后導(dǎo)入Ansys 賦予材料屬性并劃分網(wǎng)格,得到便于分析的有限元模型。與體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對

10、比,完成模型驗(yàn)證。結(jié)果與結(jié)論:成功地建立了表面光滑、外觀逼真的腰椎有限元模型。該模型共有144 411個節(jié)點(diǎn),88 742個單元,具有較高的準(zhǔn)確性,且可以方便地施加約束和載荷,進(jìn)行有限元分析。為臨床腰椎三維有限元模型建立提供了一種精確而實(shí)用的方法,所建模型可以用來模擬腰椎生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵詞:腰椎;有限元模型;CT 圖像;Mimics ;Ansys ;數(shù)字化骨科 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.26.003劉治華,管文浩,檀中奇. 基于CT 圖像構(gòu)建的腰椎三維有限元模型J.中國組織工程研究,2012,16(26:4760-4764. http:/www.cr

11、 0 引言腰椎是脊柱運(yùn)動的樞紐,腰骶部神經(jīng)和肌肉的協(xié)同作用產(chǎn)生腰椎的運(yùn)動。腰椎運(yùn)動極其復(fù)雜,椎體具有6個自由度其中3個為平動自由度,3個為轉(zhuǎn)動自由度。腰椎運(yùn)動范圍大,承受的應(yīng)力集中,是脊柱疾患最集中的部位之一。劉治華,等. 基于CT 圖像構(gòu)建的腰椎三維有限元模型 ISSN 1673-8225 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH4761www.CRTER.org1鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河南省鄭州市 450001; 2欒城縣柳林屯醫(yī)院骨科,河北省欒城縣 051430劉治華,男,1971年生,河北省欒城縣人,漢族,2006年中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所畢業(yè),

12、博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事生物力學(xué)方面的研究。 liuzhihua 通訊作者:管文浩,碩士,鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河南省鄭州市 450001guanwenhao123中圖分類號:R318 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1673-8225 (201226-04760-05收稿日期:2011-12-01 修回日期:2012-01-14 (20110930001/G C因此對于腰椎部位的生物力學(xué)研究是十分重要和迫切的。有限元分析法是數(shù)值計(jì)算中的一種離散化方法,是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用,是理論生物力學(xué)研究中最有效的分析方法。與實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)相比,有限元分析法在可替代性、可重復(fù)

13、性和可控性等方面有獨(dú)特的優(yōu)越性。如何準(zhǔn)確地構(gòu)建腰椎節(jié)段有限元模型是有限元分析的關(guān)鍵。本文基于CT 薄層掃描技術(shù),探討一種快速建立精確度高、便于分析的腰椎三維有限元模型的方 法1-5。1 對象和方法設(shè)計(jì):單一樣本觀察。時間及地點(diǎn):于2011-03/15在河南省人民醫(yī)院骨科完成。對象:選取1名男性健康志愿者,為省武警某部戰(zhàn)士,25歲,身高174 cm ,體質(zhì)量67 kg ,X 射線檢查排除腰椎骨骼異常情況,受試者對試驗(yàn)方案知情同意。方法:數(shù)據(jù)采集:用64排螺旋CT(GE 公司,美國對腰椎沿橫斷面連續(xù)掃描,掃描條件為:120 kV ,250 mV ,層厚0.625 mm ,共351層,各斷層圖像以D

14、icom 3.0標(biāo)準(zhǔn)直接存儲。建模環(huán)境:電腦配置:AMD Athlon64 5000+中央處理器,2 G 內(nèi)存,NVIDIA GeForce 9500 GT 顯卡,512 M 顯存,Windous XP/Professional 操作系統(tǒng)。軟件:醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 10.01(Materialise 公司,比利時,三維建模軟件Solidworks(Dassault 公司,法國,大型有限元分析軟件Ansys10.0(Ansys 公司,美國。建立幾何模型:腰椎椎骨模型的建立:將DICOM 格式的CT 圖片導(dǎo)入Mimics 軟件中,為使椎骨細(xì)節(jié)盡可能多的被提取,同時摻雜較少的雜質(zhì),多次嘗試

15、界定閾值在1991 489 HounsField 單位,進(jìn)行區(qū)域增長,軟件自動提取骨組織邊界,此時各節(jié)椎骨是粘連在一起的,需要在邊緣連接處進(jìn)行分割。之后對每張CT 圖片進(jìn)行選擇性編輯,去噪處理即可生成椎骨三維模型。處理好的CT 圖片見圖1。直接生成的三維模型較為粗糙,可利用Mimics 自帶的網(wǎng)格優(yōu)化工具M(jìn)agics 對生成的模型進(jìn)行光滑,減少銳利的三角片和自交叉等情況。優(yōu)化后的椎骨模型見圖26-8。椎間盤模型的建立:為保證椎間盤與椎骨緊密貼合以利于后續(xù)的有限元分析,采用布爾運(yùn)算法建立椎間盤。首先界定閾值57199 HounsField 單位,進(jìn)行區(qū)域增長,此時椎間盤與周圍肌肉組織的邊界并不清

16、晰,需要對比三視圖對每張CT 圖片進(jìn)行編輯、去噪處理,并對椎間盤與椎骨接觸處的CT 圖片進(jìn)行擴(kuò)展,使得建立的椎間盤比實(shí)際的要厚一些,然后與之前建立的椎骨模型進(jìn)行布爾減運(yùn)算,得到實(shí)際形狀的椎間盤。布爾運(yùn)算前后的椎間盤見圖3,4。Figure 1 CT images edited by Mimics software 圖1 Mimics 中編輯處理后的CT 圖片F(xiàn)igure 2 Skeleton model of lumbar spine optimizedby Magics software 圖2 Magics 優(yōu)化后的椎骨模型Figure 3 Intervertebral disc befor

17、e boolean operation 圖3 布爾運(yùn)算前的椎間盤劉治華,等. 基于CT 圖像構(gòu)建的腰椎三維有限元模型 P .O. Box 1200, Shenyang 110004 4762www.CRTER .org實(shí)體模型的建立:本文利用Solidworks 附帶的Scan to 3D 插件,將Mimics 生成的面網(wǎng)格模型生成實(shí)體模型。將Mimics 生成的面網(wǎng)格模型保存為.stl 格式,導(dǎo)入Solidworks 中,啟動網(wǎng)格處理向?qū)?對網(wǎng)格進(jìn)行定位、平滑,之后進(jìn)入曲面向?qū)?選擇自動生成曲面,然后編輯特征線,對曲面進(jìn)行修飾9。生成的實(shí)體模型見圖5。建立有限元模型:將在Solidworks

18、 中建好的實(shí)體模型以“.x_t ”格式導(dǎo)入Ansys 中,賦予材料屬性并劃分網(wǎng)格。本文將椎骨模擬為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨兩部分,椎間盤模擬為纖維環(huán)和髓核兩部分。皮質(zhì)骨和纖維環(huán)用殼單元SHELL63來模擬,松質(zhì)骨和髓核用四面體單元SOLID92來模擬10-12。有限元模型的單元類型和材料屬性見表113-16。利用Ansys 中的MeshTool 工具劃分網(wǎng)格,采用自由網(wǎng)格劃分,控制模型單元邊長0.005 m ,局部單元邊長0.003 m 。2 結(jié)果2.1 建立了腰椎有限元模型 成功地建立了表面光滑,外觀逼真的腰椎有限元模型。該模型包含L 1L 5 5節(jié)腰椎和4節(jié)椎間盤,共有144 411個節(jié)點(diǎn),88 7

19、42個單元,見圖6。將椎骨從上到下依次命名為L 1L 5,將椎間盤從上到下依次命名為L 12L 45,各節(jié)椎骨和椎間盤所含節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)見表2。該模型可以方便的施加約束和載荷,進(jìn)行有限元分析。2.2 腰椎有限元模型的驗(yàn)證 由于現(xiàn)階段的腰椎的離體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)多是腰椎第四至五節(jié)段,因此本文通過驗(yàn)證第四至五節(jié)段模型的正確性來完成有限元模型的驗(yàn)證。分別進(jìn)行軸向壓縮和側(cè)屈條件下的驗(yàn)證。將腰椎第4,5節(jié)段和第4,5節(jié)段之間的椎間盤導(dǎo)入Ansys 建立有限元模型。為保證椎骨和椎間盤始終貼合在一起,避免模型牽引時產(chǎn)生位移導(dǎo)致接觸失效,將椎間盤和椎骨之間設(shè)定為綁定接觸17-19。在L 5的下表面設(shè)定6個自由度的約

20、束。在L 4上表面分別施加500,1 000,1 500 N 的豎直向下的力,腰椎的軸向位移分別為0.43,0.74,1.02 mm 。施加5,10,15 N m 的側(cè)屈扭矩時,腰椎的角位移分別為2.1°,3.9°,5.7°。將有限元分析的結(jié)果與Brown 等20在相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,見圖7,8。從圖7,8中可以看出有限元模型的載荷位移曲線、側(cè)屈角位移曲線均Figure 4 Intervertebral disc after boolean operation圖4 布爾運(yùn)算后的椎間盤Figure 5 Physical model of lumbar sp

21、ine圖5 腰椎實(shí)體模型Figure 6 Finite element model of lumbar spine圖6 腰椎有限元模型 劉治華,等. 基于CT 圖像構(gòu)建的腰椎三維有限元模型 ISSN 1673-8225 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH4763www.CRTER .org與實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果良好吻合,這便驗(yàn)證了所建有限元模型的準(zhǔn)確性。3 討論有限元分析是理論生物力學(xué)研究中最有效的應(yīng)力分析方法,自1974年Belytschko 等27首次報(bào)道椎間盤有限元模型以來,脊柱有限元模型己由二維線性發(fā)展為二維非線性,又由二維非線性發(fā)展至三維非線性?，F(xiàn)今的研究成果使腰椎有限元

22、模型不僅能真實(shí)地模擬椎體、椎間盤,還能將周圍的韌帶、肌肉組織直接或間接地加入模型,使模擬更加逼真、準(zhǔn)確。要進(jìn)行生物力學(xué)有限元分析首先要解決是模型問題,腰椎有限元模型建模方法包括基于醫(yī)學(xué)圖像的建模方法、使用數(shù)字化儀建模方法和采用解剖學(xué)數(shù)據(jù)建模方法等。其中,基于CT 圖像的建模方法具有自動、標(biāo)準(zhǔn)、快速建模等優(yōu)點(diǎn),是腰椎運(yùn)動節(jié)段幾何模型建模的主要研究方法28。本文利用GE 公司先進(jìn)的64排螺旋掃描CT ,得到層厚0.625 mm 的高質(zhì)量的CT 斷層圖片,采用DICOM 格式直接存儲,減少了處理過程中原始數(shù)據(jù)的損失。應(yīng)用Mimics 強(qiáng)大的基于斷層掃描圖像的建模功能,通過對CT 圖片的編輯、補(bǔ)洞等處

23、理,快速建立起精確性高的模型。椎間盤的建模較為困難,主要是因?yàn)樽甸g盤的閾值與肌肉組織接近,較難分離,而且椎間盤要與腰椎緊密貼合才利于后續(xù)的有限元分析。當(dāng)前的椎間盤建模方法主要有兩種,一種是在CAD 軟件或Ansys 等有限元分析軟件中單獨(dú)建立,這種方法較為方便快捷,但是難以保證椎間盤的實(shí)際形狀。另一種是在Mimics 中建立,這種方法的難點(diǎn)是如何保證椎間盤與椎骨之間的緊密接觸。本文采用在Mimics 中運(yùn)用布爾運(yùn)算法建立椎間盤,即先將椎間盤建的比實(shí)際的要厚一些然后通過布爾減運(yùn)算得到實(shí)際形狀的椎間盤。這種方法建立的椎間盤能與椎骨緊密貼合,滿足后續(xù)有限元分析的需要。本文在Mimics 中建立了面網(wǎng)

24、格模型后,導(dǎo)入Solidworks 建立實(shí)體模型,之后再導(dǎo)入Ansys 中建立有限元模型。有些研究者在Mimics 中建立面網(wǎng)格模型后直接導(dǎo)入Ansys 中畫體網(wǎng)格29-30,因?yàn)橛蒑imics 生成的模型是一種面網(wǎng)格模型,直接導(dǎo)入Ansys 中并沒有線、面、體等實(shí)體要素,劃分網(wǎng)格后也難以準(zhǔn)確快捷的施加約束和載荷,給以后的有限元分析中帶來了不必要的麻煩。而通過生成包含線、面、體等實(shí)體要素的實(shí)體模型,可以方便的施加約束和載荷。此外還可以利用逆向工程軟件Imageware ,Geomagic 等生成實(shí)體模型,但這兩款軟件操作繁瑣,且模型精度與Solidworks 中生成的相差不大。本模型共有節(jié)點(diǎn)1

25、44 411個,單元88 742個,表面清晰光滑,外表逼真,精確度高,椎骨與椎間盤之間連接緊密,包含線、面、體等實(shí)體要素,易于進(jìn)行有限元分析。但由于腰椎結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,還有許多地方有待改進(jìn)。本模型尚未添加韌帶和小關(guān)節(jié)約束等結(jié)構(gòu),在硬件條件允許的情況下還可以進(jìn)一步細(xì)化有限元網(wǎng)格,使有限元分析結(jié)果更加精確。致謝:感謝河南省人民醫(yī)院骨科提供腰椎CT 數(shù)據(jù)。4 參考文獻(xiàn)1Schmidt H, Heuer F , Wilke HJ. Dependency of discdegeneration on shear and tensile strains between annular fiber layer

26、s for complex loads. Med Eng Phys. 2009;31(6:642-649.Figure 7 Comparison of axial compression force-axialdisplacement graphs 圖7 軸向壓縮力-軸向位移曲線對比圖3 0002 5002 0001 5001 0005000A x i a l c o m p r e s s i o n f o r c e (N 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5Axial displacement (mm1234 561: Simulated axial compression forc

27、e-axial displacement curve; 2, 6: Compression force-axial displacement curve obtained from the Brown 20 experiment; 3: Compression force-axial displacement curve obtained from the Markolf 21 experiment; 4: Compression force-axial displacement curveobtained from the Markolf et al 22 experiment; 5: Co

28、mpression force-axial displacement curve obtained from the Virgin et al 23 experimentFigure 8 Comparison of lateral moment-degree graphs 圖8 側(cè)屈扭矩-側(cè)屈角位移對比圖86420L a t e r a l d e g r e e (°5 10 15Lateral moment (N m1234 51: Simulated lateral moment-degree curve; 2: The lateral moment-degreecurve o

29、btained from the Schultz et al 24 experiment; 3: The lateralmoment-degree curve obtained from the Andersson et al 25 experiment; 4: The lateral moment-degree curve obtained from the Tencer et al 26 experiment; 5: The lateral moment-degree curve obtained from the Markolf et al 21 experiment劉治華,等. 基于C

30、T 圖像構(gòu)建的腰椎三維有限元模型 P .O. Box 1200, Shenyang 110004 4764www.CRTER .org2Chen SH, Tai CL, Lin CY , et al. Biomechanical comparison of a new stand-alone anterior lumbar interbody fusion cage with established fixation techniques - a three-dimensional finite element analysis. BMC Musculoskelet Disord. 2008;

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