基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析

论文摘要

本文基于二维CT横断面数据、DICOM标准和Mimics软件实现人体骨骼三维重建,详细叙述了医学三维重建的整体思路和具体过程,无创性地重建正常儿童近端股骨、髋脱位儿童股骨与髋关节的复杂形态,所建模型细致逼真,形态还原性好,可以被任意旋转并从不同角度观察。本文运用Mimics和Ansys软件导入导出CT横断面数据并通过Ansys中的APDL语言编程、最终建立三维有限元模型。本文叙述了儿童股骨近端有限元模型和对其分配材料属性的过程,并根据CT值—表观密度—弹性模量间的经验关系定义材料特性参数。基于CT数据的股骨三维有限元建模方法,其优点包括：1可以充分利用CT数据所提供的关于股骨的几何形态和材料特性信息,保证有限元分析结果的精确性；2此方法的材料特性设置较以往分配单一材质的方法更能表现骨骼材料的非均匀性,并且该方法无需确定密质骨、松质骨和骨髓的分界面,可以大幅缩短建模时间。本文通过对正常儿童股骨近端和髋脱位股骨近端有限元应力分析,研究结果显示：(1)在相同载荷下髋脱位侧股骨最易变形,所以患有髋脱位和髋关节脱位术后的儿童应尽量使其避免受到过大的载荷,防止骨折现象的发生；(2)儿童股骨上段内、外侧尤其是股骨颈内侧相当于股骨距部位应力水平较高,该部位的骨皮质最厚而且密度最高,可以承受身体上部的重量在该部位形成的高应力而不致疲劳骨折。这种应力和骨密度分布方式既符合最基本的力学原理,又是Wolff定律的又一佐证,再次体现人体内各种组织结构和功能的一致性；(3)应变与应力相一致,根据应力云图可以看出股骨颈部位应力水平较高,当受到暴力时最易发生骨折的部位应为股骨颈处。在体育锻炼和骨折后治疗等方面应注重这些区段的保护。总之,本研究通过基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析,对比分析了患有髋脱位儿童股骨和发育正常儿童股骨在双腿站立、单腿站立以及不同状况下的生物力学变化特性,此研究结果能够有效评价发育性髋关节脱位股骨近端不同状况下的变化模式,十分有助于预测发育性髋关节脱位患儿股骨可能出现的畸形变化发展。三维有限元方法是一种简便实用的生物力学研究方法,可作为实验生物力学研究方法的验证和补充。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 逆向工程（RE）技术
• 1.2.1 逆向工程（RE）技术的历史及现状
• 1.2.2 逆向工程的基本概念与特点
• 1.3 医学图像的三维重建
• 1.3.1 三维重建技术产生背景
• 1.3.2 三维医学图像（数字模型）的临床应用
• 1.4 医学数据可视化的意义及应用
• 1.5 有限元方法在生物力学中的应用
• 1.5.1 有限元分析法简介
• 1.5.2 有限元方法在骨科生物力学研究中的地位
• 1.5.3 有限元分析与儿童髋关节研究
• 1.6 选题的目的及意义
• 1.7 本文主要工作
• 第2章 医学断层影像数据的获取
• 2.1 医学影像技术及其发展
• 2.2 CT、MRI基本原理
• 2.2.1 CT成像原理
• 2.2.2 CT图像的特点
• 2.2.3 CT值
• 2.2.4 MRI成像原理
• 2.3 DICOM医学影像标准
• 2.4 总结
• 第3章 儿童股骨和髋关节三维几何模型建立
• 3.1 引言
• 3.2 三维建模方法的选择
• 3.2.1 医学三维建模方法评价
• 3.2.2 基于CT扫描建模的优点
• 3.3 Mimics软件介绍
• 3.4 三维重构的整体思路
• 3.5 儿童股骨上端三维重建
• 3.5.1 儿童股骨上端影像资料获取
• 3.5.2 图片的导入及组织的提取
• 3.5.3 三维重建及模型优化
• 3.5.4 数据输出
• 3.6 三维重建对髋关节脱位的临床价值
• 3.6.1 小儿发育性髋关节脱位
• 3.6.2 髋关节三维形态学的研究进展
• 3.6.3 三维重建髋关节脱位儿童髋臼的解剖结构及与股骨空间关系
• 3.6.4 三维重建对DDH手术的指导意义
• 3.7 三维重建结果的评价
• 3.8 总结
• 第4章 儿童股骨三维有限元模型建立
• 4.1 Ansys介绍
• 4.1.1 Ansys软件的主要功能
• 4.1.2 有限元分析的基本步骤
• 4.2 有限元模型的建立
• 4.2.1 单元的选择及介绍
• 4.2.2 将建好的模型导入Ansys10.0
• 4.2.3 给有限元模型分配材料属性
• 4.3 总结
• 第5章 儿童股骨上段三维有限元分析
• 5.1 施加约束及载荷
• 5.2 有限元分析结果
• 5.2.1 双腿站立（加载80N）
• 5.2.2 单腿站立（加载200N）
• 5.2.3 其它载荷
• 5.3 结果分析
• 5.3.1 股骨几何形态与受力特点
• 5.3.2 变形分析
• 5.3.3 应力应变分析
• 5.4 总结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢