不同材料屬性分配方法對椎體有限元模型力學性能的影響.pdf

1、數字醫(yī)學概念的提出促進了有限元技術與醫(yī)學的結合，CT數據集在三維重建方面的廣泛應用更加快了這一進程的發(fā)展，尤其是在骨骼模型的構建方面顯得特別突出。三維有限元模型可以用于正常骨骼的應力應變分析，也可用于分析其發(fā)生骨折的危險系數或內固定物的微動情況。在國外，O'Reilly和Whyn，Schmidt等，Little等，Schileo等，Yosibash等對脊柱和股骨等部位進行了相關的研究。在國內有限元方面研究也逐漸加深，特別是數字醫(yī)學概念的

2、提出更是把有限元技術與醫(yī)學方面結合起來。很多學者在有限元仿真等領域做出相應的研究。
　　 有限元建模是指建立一個可以由計算機順利計算的數字模型，該模型要和現(xiàn)實中物理模型的力學性能相一致，其實質是用有限元方法在計算機的虛擬環(huán)境中建立一個數字模型，這個模型有以下要求:一，要保證力學的完整性;二:要保證計算的有效性。即建立的有限元模型有兩個使命，對上要承載完整的力學信息，對下要保證計算機可以快速準確的計算。在建立有限元模型的過程中既要

3、保證所建模型外形與現(xiàn)實相近，也要使模型的一些力學材料性能與真實情況盡量相符。Marom等認為CT掃描可以反映出骨骼模型的高特征性。CT掃描作為一種臨床常規(guī)體外非侵入性的診斷方法，它不僅可以提供骨骼精確的幾何學信息，更可以提供骨骼相關的機械性能參數。現(xiàn)階段，CT數據在有限元領域的最主要用途在于骨骼三維模型構建，而對于有限元模型構建的另一個重要組成部分:材料屬性賦值，卻甚少涉及。骨骼是醫(yī)學有限元分析的主要對象之一，入骨的材料屬性更是十分復雜

4、的，個體差異明顯，不同人或同一人體不同部位之間都存在差別。傳統(tǒng)的骨骼材料屬性劃分方法是將骨單純分為皮質骨和松質骨兩部分進行賦值，這樣劃分必然與入骨材料屬性復雜性不符，在計算中不免會出現(xiàn)較大誤差。隨著人們對CT數據認識的加深和相應軟件的開發(fā)運用，逐漸開發(fā)出的一類軟件如MIMICS，BONEMAT, AMAB等，這些軟件可以把CT數據作為一種內部的數據代碼與有限元仿真模型相結合，其分配方案是根據CT數據的灰度值來決定有限元模型的材料屬性的，

5、具體方法是通過提取出單元體積內所有CT圖像的像素值，并計算出其平均值來賦予到該單元中。這種方法可以最終達到通過CT灰度值確定有限元模型中每個單元彈性模量的目的。
　　 醫(yī)學圖像的三維重建及可視化技術是一種運用計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺以及人機交互技術將醫(yī)學圖像數據轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。MIMICS是Materialise公司研發(fā)的交互式的醫(yī)學影像控制系統(tǒng)(Materialis

6、e's interactive medical image controlsystem)，是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它能輸入各種醫(yī)學影像(CT、MRI)數據，建立3D模型進行編輯，在PC機上進行大規(guī)模數據的轉換處理。該軟件除了可以運用于構建3D模型，更可以將CT灰度值與模型的材料屬性聯(lián)系起來，按照一定的劃分梯度對模型的材料屬性進行賦值。一個較好的賦值方法，配合一個較好的分配方案，可以改善計算中因個體差異造成的誤

7、差。本實驗就是在MIMICS軟件的基礎上在完成較好的幾何重建的前提下，運用其材料屬性分配模塊對模型的彈性模量按照不同分配梯度進行賦值，并將這些賦值后模型的有限元分析結果進行比較，再將其與手動賦值方法模型有限元結果比較，得出較好的賦值方法。通過研究兩種賦值方法（CT灰度值賦值法、手動賦值法）及CT灰度值賦值法中不同梯度變化對有限元分析結果的影響，得出一個相對經濟、準確的劃分梯度，為將該法在有限元研究中的應用特別是臨床相關快速建模分析等方面

8、提供相關的理論依據。
　　 椎骨有限元建模：
　　 本部分內容重點對課題實施的前期建模工作進行歸納總結，闡述了相關的方法和技術，細致的說明了本實驗進行有效建模的全過程。有限元分析是近年來在生物力學領域仿真人體結構力學功能的一個重要實驗手段。通過建立人體有限元分析模型，賦予模型相應的材料屬性并合理模擬在體條件，可以有效地分析人體結構的物理性質。其中，建立有限元幾何模型是有限元仿真分析的基礎，其目的就在于為進一步的有限元分析

9、過程提供一個物理框架，然后可以對這個框架進行相應的修飾完善，最終達到可以完成分析的目標。本部分內容就是以胸腰椎標本為例來說明相應骨骼有限元模型建立的一般流程技術方法及注意事項。重點闡述了對三維重建中構造幾何模型的過程，通過相應的Remesh操作提高有限元網格劃分成功率及質量的方法，以及使用geomagic軟件處理相應三維模型得到理想有限元模型的方法。
　　 自動分配方法中材料屬性分配梯度對椎骨有限元模型力學性能的影響
　　

10、 [目的]
　　 研究以灰度值為基礎的不同材料屬性分配梯度對椎骨有限元模型力學性能的影響。
　　 [方法]
　　 對一位健康成人脊柱（T12～L5節(jié)段）進行快速CT薄層掃描，在MIMICS中對每節(jié)椎骨進行三維重建，通過Geomagic軟件處理后，導入ANSYS中進行網格劃分，再返回到MIMICS中按2，4，8，10，50，100，200，400份等8種梯度對材料屬性進行分配，最后重新導入ANSYS軟件按照同一載

11、荷條件進行有限元分析。
　　 [結果]
　　 2、4、400這三個分配梯度與其它分配梯度相比，應力情況存在顯著性差異(P＜0.05)，而8、10、50、100、200梯度之間計算結果偏差不大。
　　 [結論]
　　 有限元模型材料屬性劃分不宜過多或過少，10份左右的劃分梯度既可保證運算結果的精確性，也相對可以提高運算速度，尤其適用于臨床個性化快速有限元建模。
　　 材料屬性手動分配法與自動分配法對

12、椎骨有限元模型力學性能的影響
　　 [目的]
　　 研究自動分配方法與手動賦值法對椎骨有限元模型力學性能的影響。
　　 [方法]
　　 對一位健康成人脊柱(T12～L5)進行快速CT薄層掃描，在MIMICS中對每節(jié)椎骨進行三維重建，通過Geomagic軟件處理后導回MIMICS中進行Remesh處理，然后導入ANSYS中進行網格劃分。材料屬性按兩種方法劃分:一、手動賦值法，直接在ANSYS中選取外圍單元賦

13、予皮質骨屬性，其它單元賦予松質骨屬性;二、CT灰度值賦值法（自動分配法），模型導回到MIMICS中按照10份得分配梯度進行材料屬性的賦值。最后在ANSYS中進行有限元分析。
　　 [結果]
　　 手動賦值法中椎體的最大位移為28.0583mm，最大應力為149.167N; CT灰度10分法椎體的最大位移處位移為24.3517mm，最大應力為148.986N。節(jié)點的位移分布情況，手動賦值法中位移活動范圍等值線較少;CT灰度