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摘 要： 基于CT影像DICOM格式数据，应用MIMICS精确建模，应用3-matic进行四面体网格划分，利用MIMICS根据CT灰度值进行材料属性赋予，通过计算机仿真软件ANSYS实现力学分析，本文旨在探讨生物力学中有限元模型的构建途径，以对临床提供帮助。
关键词： CT;股骨三维重建;有限元分析
中图分类号： TP311.52 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.010
本文著录格式：冯雨欣，王玥涵，曲佳欣，等. 基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析[J]. 软件，2020，41（01）：4649
【Abstract】： Based on the DICOM format data of CT images， MIMICS is used to model accurately， 3-matic is used to divide tetrahedral meshes， MIMICS is used to assign material attributes according to CT gray value， and ANSYS is used to realize mechanical analysis. The purpose of this paper is to explore the way to construct finite element model in biomechanics， so as to provide help for clinic.
【Key words】： CT; Three-dimensional reconstruction of femur; Finite element analysis
0 引言
股骨是應力最为复杂的悬臂梁结构，对其生物力学特性的研究，可为运动学、骨科医学及手术方法评定等提供可靠的理论指导[1-2]。近些年，随着计算机技术、计算机辅助工程与有限元分析方法的快速发展，应用固体力学研究骨科学已经成为重要的研究方向[1]。通过DICOM格式影像数据构建形态准确、结构完整的股骨三维有限元模型，是进行股骨有限元分析基础。本文利用股骨CT影像DICOM数据，构建三维有限元模型，进行应力分析，对临床提供帮助。
1 对象和方法
对象：采集牡丹江医学院附属医院男性志愿者1名，35岁，应用影像检查排除病变、损伤等情况，受试者对试验方案知情同意，并经医院伦理委员会批准。
设备与软件：美国GE公司128排螺旋CT;图形后处理工作站：E5 CPU/英伟达 k2200显卡/22寸液晶显示器/16G内存;建模软件：比利时MATERIALISE公司MIMICS 21.0/3-matic 13.0;有限元仿真软件：美国ANSYS公司ANSYS 19.0。
方法：
股骨断层影像数据获取：采用GE 128排螺旋CT扫描志愿者（健康、无外伤病史）双下肢，扫描时患者须仰卧，范围为胫骨近端至股骨远端。获取359张断层影像序列，并以DICOM格式保存。
图像后处理：获取的DICOM格式影像数据在医学图像处理工作站上用MIMICS软直接读。调整好窗宽、窗位。应用ADVACED SEGMENTATION分割工具中的CT Bone Segmentation算法，快速提取出股骨蒙版（mask）（图1）：感兴趣骨骼选择、蒙版阈值设定、计算，其中蒙版阈值范围设定为180-1494。对提取出的股骨蒙版进行三维计算，获得完整股骨的三维模型（图2）。由于初步建立的股骨三维模型存在三角面片缺失等问题，需要将其导入3-matic软件中进一步修复：采用Laplacian光顺方法进行10次迭代光滑表面;采用Remove Spikes工具去除毛刺等方法，最终得到修复后的股骨三维模型（图3）并以.stl格式导出。
有限元模型建立：由于初步建立的3D 网格模型.stl格式文件是由三角面片组成的，三角面片形状大小不一、且存在交叉、重叠等问题[4]。应用3-matic进行网格划分前可以使用Smooth、Reduce、AutoRemsh等一系列手段进行网格优化处理。图4为优化后左股骨远端3D 网格模型，图5为优化后左侧人体膝关节3D 骨骼模型。图4为优化后左股骨远端3D 网格模型，图5为优化后左侧人体膝关节3D 骨骼模型。：利用3-matic软件将股骨三维模型导入进行网格划分。对股骨模型进行四面体10节点网格划分（图4）。将划分完网格的股骨导入MIMICS中进行材料属性赋值。本文股骨材料属性按非均质、各向异性、10种材质划分，其中密度（ρ）、弹性模量（E）之间的关系如公式1公式2所示，泊松比（V）为0.3：
边界条件与加载：将股骨三维有限元模型内外髁缘的全部节点自由度约束为零（3个方向的位移，3个方向的旋转）作为边界条件，载荷数据模拟70 kg体质量患者在正常步行过程中[5]，峰值关节载荷作用下的股骨的应力分布。载荷的作用点：关节力作用点是股骨头的中心。
3 结果
由图5可知，股骨在站立位受力分布并不均匀，在股骨中段附近出现应力集中情况。股骨颈应力虽然也存在应力集中情况，但远小于股骨中段附近。在站立位，股骨头变形最大，变形程度沿股骨轴向由近端到股骨的中段部位逐渐减小，股骨中段到股骨远端几乎无变形（图6），计算结果验证了在临床上垂直坠落伤时，股骨骨折以股骨中段骨折为主，下段骨折则以螺旋形骨折多见，而股骨颈骨折在这个受伤机制相对较少一些，除了一些骨质疏松患者，特别是股骨颈骨质疏松为主的，可以出现股骨颈及转子间骨折，头及大小转子间骨折[5-8]。 4 讨论
生物力学（biomechanics）是研究生命体变形与运动的学科，是力学与医学、生物学等学科相互结合、相互渗透而形成的一门典型的交叉学科。生物力学作为力学与生物学、医学的交叉学科，得益于计算机建模与仿真方法与理论分析方法、实验方法，随着计算机技术的快速发展，已在现代科学研究中扮演着越来越重要的角色。目前，骨肌系统建模过程需要详细考虑的主要因素有：真实的模型结构，基于人体解剖学结构特征参数提取、精确的解剖学结构三维扫描图像、人体冷冻切片数据库等不同的数据来源的模型建立，准确的材料属性、考虑皮质骨、松质骨等基本组织的精确力学属性;精确的边界条件;模型的有效验证性，最后基于建模仿真技术针对研究需求开展研究和分析应用[8]。
（1）基于断层图像的建模是目前医学有限元分析的常用方法，通过医学成像（CT/MRI等）采集人体器官断层序列后，经过一系列图像后处理（去噪、裁切、阈值分割）等方法，运用数据三维可视化的算法建立模型。本文采用MIMICS的高级分割功能，快速建立股骨三维模型。MIMICS的CT Bone工具所使用的算法利用“选择种子点”设定感兴趣区域与边缘非感性兴趣区域，进而利用蒙板阈值进行分离出感兴趣区域。此种算法相较于单纯的阈值分割、区域增长等传统方式效率提高90%。通过3-matic软件的三角面片网格优化，修复错误，此种方法也相较于采用逆向工程建立三维模型、网格划分快速的多。此种方式基于数字化的形式处理，减少了逆向工程与传统CAD的循环反复，经3-matic处理的三维模型更接近于真实物理模型，精度更高;
（2）股骨材料属性赋值：股骨结构由皮质骨和松质骨组成，二者的弹性模量与泊松比有一定的区别。对于股骨模型，本文采用均分法对其进行材料赋值，通过体网格的灰度值范围来离散化灰度值，每一个区间代表一种材料。根据不同的灰度范围定义相应的材料，也可以定义股骨为双线性材料属性。采用基于CT灰度值定义材料属性是MIMICS软件特有的功能，具有一定的先进性;
（3）有限元模型的验证：目前，有限元研究方法作为生物力学的一种数学模拟方法，其结论的真实性最终仍需要实验生物力学的检验;它的优点在于可计算骨结构每一点的应力、应变，提供实验手段中不易得到的详细数据，并可改变骨结构等的参数;观察这种改变对完整结构的影响，從而可解释病理或生理过程中的各种变化机制。只有正确合理的模型才可以用于今后的研究和计算[10]。验证模型的方法主要包括与实验研究的结果做比较，与相似的己经验证的计算机模型做比较，或者结合以上两种方法。如果所得结果基本一致，那么说明模型可以较好地模拟真实情况，从而可以进行有效地计算和分析。通过与以往的文献比较研究发现，本模型可以较好地表现骨关节等组织应力分布的总体趋势，与以往的研究结果相近[12-15]，从而证实了本模型可以用于今后的有限元分析计算。
参考文献
[1] King AI. A review of biomechanical models. J Biomech Eng. 1984;106（2）： 97-104.
[2] Blemker SS， Asakawa DS， Gold GE， et al. Image-based musculoskeletal modeling： applications， advances， and future opportunities. J Magn Reson Imaging. 2007， 25（2）： 441-451.
[3] Bergmann G， Graichen F， Rohlmann A. Hip joint loading during walking and running， measured in two patients. J Biomech. 1993， 26（8）： 969-990.
[4] 牛军龙， 秦现生， 洪杰， 等. 基于CT图像重建人体膝关节3D骨骼优化模型. 中国医学物理学杂志[J]. 2016， 33（7）： 701-702.
[5] 王爽， 杨宝军， 陈广新， 等. 基于正向工程建模和CT灰度值赋予材料属性的人体股骨受力分析[J]. 软件. 2019， 40（4）： 51-52.
[6] 方国芳， 林荔军， 于博， 等. 不同状态下的股骨应力分布及临床应用. 中国组织工程研究[J].
[7] Lubin I M， Aziz N， Babb L J， et al. Principles and Recommendations for Standardizing the Use of the Next- Generation Sequencing Variant File in Clinical Settings[J]. The Journal of Molecular Diagnostics， 2017， 19（3）： 417-426.
[8] Rajapakse C S， Chang G. Micro-Finite Element Analysis of the Proximal Femur on the Basis of High-Resolution Magnetic Resonance Images[J]. Current Osteoporosis Reports， 2018， 16（6）： 657-664.
[9] 樊瑜波， 王丽珍， 等. 骨肌系统生物力学建模与仿真[M]. 人民卫生出版社. 2018， 6（1）： 9-10.
[10] 李峰， 吴华. 基于DICOM数据构建股骨三维有限元模型的精确力学分析[J]. 中国组织工程研究， 2013， 17（30）： 5483-5485.
[11] National Electric Manufacturers Association. Digital Imaging and Communications in Medicine（DICOM protocolpart 2， 3， 5， 6， 7， 8， 10， 11， 12）. National Electrical Manufacturers Association， 2003.
[12] 张美超， 刘阳， 刘则玉， 等. 利用Mimics和Freeform建立中国数字人上颌第一磨牙三维有限元模型[J]. 医用生物力学， 2006， 24（3）： 208-211.
[13] Visuri T， Hietaniemi K.Displaced stress fracture of the femoral shaft： a report of three cases. Mil Med. 1992;157（6）： 325-327.
[14] Lennon AB ， Britton JR， MacNiocaill RF. Predicting revision risk for aseptic loosening of femoral components in total hip arthroplasty in individual patients-a finite element study. J Orthop Res. 2007;25（6）： 779-788.
[15] 陈广新， 董默， 宋海南等. 股骨3D模型构建在股骨头置换手术中的应用研究[J]. 软件， 2017， 38（12）： 74-77.
[16] 王汝良， 张凯旋， 胡霖霖， 等. 基于CT的正常与骨质疏松股骨模态分析[J]. 软件， 2019， 40（4）： 77-78.
关键词： CT;股骨三维重建;有限元分析
中图分类号： TP311.52 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.010
本文著录格式：冯雨欣，王玥涵，曲佳欣，等. 基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析[J]. 软件，2020，41（01）：4649
【Abstract】： Based on the DICOM format data of CT images， MIMICS is used to model accurately， 3-matic is used to divide tetrahedral meshes， MIMICS is used to assign material attributes according to CT gray value， and ANSYS is used to realize mechanical analysis. The purpose of this paper is to explore the way to construct finite element model in biomechanics， so as to provide help for clinic.
【Key words】： CT; Three-dimensional reconstruction of femur; Finite element analysis
0 引言
股骨是應力最为复杂的悬臂梁结构，对其生物力学特性的研究，可为运动学、骨科医学及手术方法评定等提供可靠的理论指导[1-2]。近些年，随着计算机技术、计算机辅助工程与有限元分析方法的快速发展，应用固体力学研究骨科学已经成为重要的研究方向[1]。通过DICOM格式影像数据构建形态准确、结构完整的股骨三维有限元模型，是进行股骨有限元分析基础。本文利用股骨CT影像DICOM数据，构建三维有限元模型，进行应力分析，对临床提供帮助。
1 对象和方法
对象：采集牡丹江医学院附属医院男性志愿者1名，35岁，应用影像检查排除病变、损伤等情况，受试者对试验方案知情同意，并经医院伦理委员会批准。
设备与软件：美国GE公司128排螺旋CT;图形后处理工作站：E5 CPU/英伟达 k2200显卡/22寸液晶显示器/16G内存;建模软件：比利时MATERIALISE公司MIMICS 21.0/3-matic 13.0;有限元仿真软件：美国ANSYS公司ANSYS 19.0。
方法：
股骨断层影像数据获取：采用GE 128排螺旋CT扫描志愿者（健康、无外伤病史）双下肢，扫描时患者须仰卧，范围为胫骨近端至股骨远端。获取359张断层影像序列，并以DICOM格式保存。
图像后处理：获取的DICOM格式影像数据在医学图像处理工作站上用MIMICS软直接读。调整好窗宽、窗位。应用ADVACED SEGMENTATION分割工具中的CT Bone Segmentation算法，快速提取出股骨蒙版（mask）（图1）：感兴趣骨骼选择、蒙版阈值设定、计算，其中蒙版阈值范围设定为180-1494。对提取出的股骨蒙版进行三维计算，获得完整股骨的三维模型（图2）。由于初步建立的股骨三维模型存在三角面片缺失等问题，需要将其导入3-matic软件中进一步修复：采用Laplacian光顺方法进行10次迭代光滑表面;采用Remove Spikes工具去除毛刺等方法，最终得到修复后的股骨三维模型（图3）并以.stl格式导出。
有限元模型建立：由于初步建立的3D 网格模型.stl格式文件是由三角面片组成的，三角面片形状大小不一、且存在交叉、重叠等问题[4]。应用3-matic进行网格划分前可以使用Smooth、Reduce、AutoRemsh等一系列手段进行网格优化处理。图4为优化后左股骨远端3D 网格模型，图5为优化后左侧人体膝关节3D 骨骼模型。图4为优化后左股骨远端3D 网格模型，图5为优化后左侧人体膝关节3D 骨骼模型。：利用3-matic软件将股骨三维模型导入进行网格划分。对股骨模型进行四面体10节点网格划分（图4）。将划分完网格的股骨导入MIMICS中进行材料属性赋值。本文股骨材料属性按非均质、各向异性、10种材质划分，其中密度（ρ）、弹性模量（E）之间的关系如公式1公式2所示，泊松比（V）为0.3：
边界条件与加载：将股骨三维有限元模型内外髁缘的全部节点自由度约束为零（3个方向的位移，3个方向的旋转）作为边界条件，载荷数据模拟70 kg体质量患者在正常步行过程中[5]，峰值关节载荷作用下的股骨的应力分布。载荷的作用点：关节力作用点是股骨头的中心。
3 结果
由图5可知，股骨在站立位受力分布并不均匀，在股骨中段附近出现应力集中情况。股骨颈应力虽然也存在应力集中情况，但远小于股骨中段附近。在站立位，股骨头变形最大，变形程度沿股骨轴向由近端到股骨的中段部位逐渐减小，股骨中段到股骨远端几乎无变形（图6），计算结果验证了在临床上垂直坠落伤时，股骨骨折以股骨中段骨折为主，下段骨折则以螺旋形骨折多见，而股骨颈骨折在这个受伤机制相对较少一些，除了一些骨质疏松患者，特别是股骨颈骨质疏松为主的，可以出现股骨颈及转子间骨折，头及大小转子间骨折[5-8]。 4 讨论
生物力学（biomechanics）是研究生命体变形与运动的学科，是力学与医学、生物学等学科相互结合、相互渗透而形成的一门典型的交叉学科。生物力学作为力学与生物学、医学的交叉学科，得益于计算机建模与仿真方法与理论分析方法、实验方法，随着计算机技术的快速发展，已在现代科学研究中扮演着越来越重要的角色。目前，骨肌系统建模过程需要详细考虑的主要因素有：真实的模型结构，基于人体解剖学结构特征参数提取、精确的解剖学结构三维扫描图像、人体冷冻切片数据库等不同的数据来源的模型建立，准确的材料属性、考虑皮质骨、松质骨等基本组织的精确力学属性;精确的边界条件;模型的有效验证性，最后基于建模仿真技术针对研究需求开展研究和分析应用[8]。
（1）基于断层图像的建模是目前医学有限元分析的常用方法，通过医学成像（CT/MRI等）采集人体器官断层序列后，经过一系列图像后处理（去噪、裁切、阈值分割）等方法，运用数据三维可视化的算法建立模型。本文采用MIMICS的高级分割功能，快速建立股骨三维模型。MIMICS的CT Bone工具所使用的算法利用“选择种子点”设定感兴趣区域与边缘非感性兴趣区域，进而利用蒙板阈值进行分离出感兴趣区域。此种算法相较于单纯的阈值分割、区域增长等传统方式效率提高90%。通过3-matic软件的三角面片网格优化，修复错误，此种方法也相较于采用逆向工程建立三维模型、网格划分快速的多。此种方式基于数字化的形式处理，减少了逆向工程与传统CAD的循环反复，经3-matic处理的三维模型更接近于真实物理模型，精度更高;
（2）股骨材料属性赋值：股骨结构由皮质骨和松质骨组成，二者的弹性模量与泊松比有一定的区别。对于股骨模型，本文采用均分法对其进行材料赋值，通过体网格的灰度值范围来离散化灰度值，每一个区间代表一种材料。根据不同的灰度范围定义相应的材料，也可以定义股骨为双线性材料属性。采用基于CT灰度值定义材料属性是MIMICS软件特有的功能，具有一定的先进性;
（3）有限元模型的验证：目前，有限元研究方法作为生物力学的一种数学模拟方法，其结论的真实性最终仍需要实验生物力学的检验;它的优点在于可计算骨结构每一点的应力、应变，提供实验手段中不易得到的详细数据，并可改变骨结构等的参数;观察这种改变对完整结构的影响，從而可解释病理或生理过程中的各种变化机制。只有正确合理的模型才可以用于今后的研究和计算[10]。验证模型的方法主要包括与实验研究的结果做比较，与相似的己经验证的计算机模型做比较，或者结合以上两种方法。如果所得结果基本一致，那么说明模型可以较好地模拟真实情况，从而可以进行有效地计算和分析。通过与以往的文献比较研究发现，本模型可以较好地表现骨关节等组织应力分布的总体趋势，与以往的研究结果相近[12-15]，从而证实了本模型可以用于今后的有限元分析计算。
参考文献
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[6] 方国芳， 林荔军， 于博， 等. 不同状态下的股骨应力分布及临床应用. 中国组织工程研究[J].
[7] Lubin I M， Aziz N， Babb L J， et al. Principles and Recommendations for Standardizing the Use of the Next- Generation Sequencing Variant File in Clinical Settings[J]. The Journal of Molecular Diagnostics， 2017， 19（3）： 417-426.
[8] Rajapakse C S， Chang G. Micro-Finite Element Analysis of the Proximal Femur on the Basis of High-Resolution Magnetic Resonance Images[J]. Current Osteoporosis Reports， 2018， 16（6）： 657-664.
[9] 樊瑜波， 王丽珍， 等. 骨肌系统生物力学建模与仿真[M]. 人民卫生出版社. 2018， 6（1）： 9-10.
[10] 李峰， 吴华. 基于DICOM数据构建股骨三维有限元模型的精确力学分析[J]. 中国组织工程研究， 2013， 17（30）： 5483-5485.
[11] National Electric Manufacturers Association. Digital Imaging and Communications in Medicine（DICOM protocolpart 2， 3， 5， 6， 7， 8， 10， 11， 12）. National Electrical Manufacturers Association， 2003.
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[14] Lennon AB ， Britton JR， MacNiocaill RF. Predicting revision risk for aseptic loosening of femoral components in total hip arthroplasty in individual patients-a finite element study. J Orthop Res. 2007;25（6）： 779-788.
[15] 陈广新， 董默， 宋海南等. 股骨3D模型构建在股骨头置换手术中的应用研究[J]. 软件， 2017， 38（12）： 74-77.
[16] 王汝良， 张凯旋， 胡霖霖， 等. 基于CT的正常与骨质疏松股骨模态分析[J]. 软件， 2019， 40（4）： 77-78.