唇裂的三维有限元建模及仿真

论文摘要

脸是体现人美观的一个极其重要部位,颌面外科手术作为修复面部畸形的手术越来越多地被人们所重视。颌面外科的手术一般都是通过提供力的约束来使面部形态恢复正常。因此应力分析在颌面外科手术中对好的手术效果有着极其重要的意义。唇裂是先天性的面部畸形,在我国和世界上其它国家都有着很高的发生率。对于唇裂的治疗,外科手术中一般都采用三角瓣法或旋转推进法进行修复。尽管在过去几十年里,外科手术有了很大的改进,但是鉴于软组织结构和形变特点的复杂性,外科医生还是不能精确地预测术后的形变结果,术后脸部畸形的现象有着很高的发生率,导致病人要经历好几次复杂手术来进行修复。本文目的是要建立唇裂的三维有限元模型,仿真软组织与上颌骨的相互作用,尤其是外科手术中软组织的应力分布,从而为外科医生对提供可能开展的手术的精确预测。三维有限元模型的建立主要包括两个步骤:第一步是从CT数据中实现唇裂的几何模型三维重建;第二步是实现唇裂有限元模型的建立。我们通过对CT图像的分割、几何形态拟合、三维重建得到与唇部相关的三维几何模型;把几何模型划分成面网格,生成体模型并且用四面体单元划分模型;然后我们分别利用简单的线弹性模型方法和CT值区分赋材质的方法给四面体单元赋予材料属性。在有限元分析软件ANSYS9.0中,通过确定边界条件和加载拉力来仿真唇裂修复手术中的定点和缝合操作,运行有限元分析程序,我们得出了两种不同赋材质方法缝合所需要的拉力,最后的整个模型形变情况以及整个模型的应力分布情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 虚拟手术系统发展现状
• 1.2 虚拟手术技术难点
• 1.3 软组织手术模拟系统
• 1.4 本文内容
• 第二章 唇裂现象和常用术式介绍
• 2.1 唇裂现象
• 2.2 唇裂修复术
• 第三章 CT 图像预处理
• 3.1 数据来源
• 3.2 医学图像分割及常用算法
• 3.3 图像分割过程及结果
• 3.3.1 整体图像分割
• 3.3.2 与唇部相关的面部软组织提取
• 第四章 建立唇裂三维模型
• 4.1 医学图像三维重建的方法
• 4.2 重建并完善三维模型
• 4.3 生成体网格
• 第五章 有限元方法
• 5.1 引言
• 5.2 有限元方法基本原理
• 5.2.1 虚功原理
• 5.2.2 最小位能原理
• 5.3 有限元分析的步骤
• 5.3.1 定义材料属性
• 5.3.2 网格划分
• 5.3.3 确定边界条件
• 5.3.4 实现加载
• 5.4 实验结果及讨论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 附录A 弹性力学的基本方程的矩阵和张量形式