基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析.docx

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基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析

分类号密级

UDC

学位论文

基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析

作者姓名：

元强

指导教师：

张振副教授潘农副教授

东北大学工程图学教学与研究中心

申请学位级别：

硕士

学科类别：

工学

学科专业名称：

机械制造及自动化

论文提交日期：

2008年6月

论文答辩日期：

2008年6月

学位授予日期：

2008年6月

答辩委员会主席：

评阅人：

东北大学

2008年6月

ADissertationinMechanicalDesignandTheory

ReverseEngineeringResearchandFiniteElementAnalysisofChildrenFemur-ProximalBasedonCTdata

byYuanXiaoqiang

Supervisor：

AssociateProfessorZhangZhenwei

AssociateProfessorPanShinong

NortheasternUniversity

June2008

独创性声明

本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。

论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：

日期：

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：

即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。

作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：

半年□一年□一年半□两年□

学位论文作者签名：

导师签名：

签字日期：

签字日期：

基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析

摘要

本文基于二维CT横断面数据、DIC0M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、单腿站立以及不同工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工况下的变化模式，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。

关键词：

儿童，股骨近端，逆向工程，DICOM标准，有限元分析，生物力学

ReverseEngineeringResearchandFiniteElementAnalysisofChildrenFemur-ProximalBasedonCTdate

Abstract

ThisarticlehasstudiedawaybasedontheCTdata,theDIC0MstandardandtheMimicssoftwarewhichrealizesthreedimensionalreconstructionofthehumanbone.ThisworkhasnarratedthewholeideaandspecificprocessofthethreedimensionalmedicinalreconstructionindetailandreappeardFemur-ProximalandhipofaDDHchildaswellasthecomplexshapeofnormalchild’sFemur-Proximal.Thecreatedmodelwhichisparticularverisimilitudeandnicereducibilitymightberevolvedatrandom，sothatyoucanobservefromdifferentangles.Thewholeideaandthespecificprocessofindetail.

Thecourseofestablishingthree-dimensionalfiniteelementmodelhandlingwiththesoftwareMimicsandAnsyscomesdowntoaproblemaboutlead-inandlead-outofthedatawhichissolvedbyprogrammingusingtheADPLofAnsys.Thus,itestablishesthefoundationfordoingtheresearchaboutthisaspectmore.TheworkparticularlynarratesthefiniteelementmodelofchildrenFemur-ProximalaswellasthecourseofdistributingmaterialpropertytothefiniteelementmodelofchildrenFemur-Proximal,definematerialcharacteristicparameteronthebaseoftheexperiencerelationamongCTvalue,ApparentdensityandtheYoung'smodulusE.ThewayofFemur-Proximalthree-dimensionalfiniteelementmodelonthebaseofCThasthefollowingadvantages：

1ItcantakefulladvantageofthegeometrymodalityandmaterialcharacteristicinformationaboutFemur-ProximalsuppliedbyCTdata.Comparedwiththeoldway,itcanestablishFemur-Proximalthree-dimensionalfiniteelementmodelmoreaccuratelyinordertoassuretheaccuracyoffiniteelementanalysisresult.2Thematerialcharacteristicsettingofthiswaycanmanifestthenon-uniformityofskeletonmaterialmoreprecislythantheoldwaywhichdistributessinglematerial.Besides.Thiswaycanshortenmodelingtimebecausethereisnoneedtoconfirmtheinterfaceamongcompactbone,spongyboneandmarrow.ThisstudythroughthefiniteelementanalysisofnormalchildrenandDDHchildrenFemur-Proximal,researchresultsshowthat：

（1）Inthesameload,theFemur-ProximalofDDHchildreniseasiesttohavethedeformation.Therefore,theDDHchildrenshouldtrytoavoidagreatload,inordertopreventtheoccurrenceoffractures；

（2）ThestresslevelishighintheoutsideandinsideofthechilerenFemur-Proximal,particularly,themedialfemoralneckequivalenttothefemurfromthesite.Thepartwiththethickbongandthehigherdensity,whichcanwithstandthehighstresscausedbytheweightoftheupperbodyandavoidsfatiguefracture.Suchthiskindofstressandthebonedensitydistributionmethodareconsistentwiththebasicprinciplesofmechanics,whichisanothercorroborationofWolfflaw.Inoncemore,itmanifeststheeachkindoforganizationalstructureandthefunctionuniformityofhumanbody；

（3）Thestrainisconsistentwiththestress.Accordingtothefemoralneckstresscloud,thehighlevelsofstresspositionscanbeseen.Whenthefemurreceivetheviolence,themostvulnerabletofracturesisthefemoralneckfortheposition.Inphysicalexerciseandfractureaftertreatmenttheprotectionofthesesectionsshouldfocused.

Inbrief,thisarticlemakesacomparativeanalysisofFemur-ProximalbiomechanicalcharacteristicswhentheDDHchildandthenormalchildstandwithlegsandthesinglelegandsimulateaddingdifferentconditionstoFemur-Proximal.TheresultsofthisstudycaneffectivelyevaluatedevelopmentofDDHchildrenFemur-Proximalandforecastthefemurpossiblechangesindevelopment.Three-dimensionalfiniteelementanalysisisakindofconvenientandpracticablemethodtoresearchbiomechanicsofhumanbeing,inaddition,canbeusedastheconfirmationandsupplementofexperimentbiomechanicsstudy.

Keywords：

Children，Femur-Proximal，Reverseengineerin，DICOM，Finiteelementanalysis，Biomechanics

第1章绪论

1.1课题来源

随着计算机技术的发展，三维有限元分析越来越多地应用于骨骼生物力学的研究。

为保证分析结果的准确性，骨骼有限元模型就要求能够精确地描述骨骼的几何形态和材料特性。

儿童股骨上段疾患较少，但由于解剖学发育的特殊性，骺板和骨骺的存在，一旦损伤发生，将导致生长紊乱，常合并严重的并发症且愈后不佳，甚至造成终生残疾。

以往的三维有限元研究多集中在成人骨科生物力学方面，而对于儿童，特别是下肢的有限元重建和分析研究很少。

我们的研究目的在于初步建立儿童股骨上段三维有限元模型，并对所建立模型做出初步的生物力学分析，了解其生物力学特性，帮助我们更好地了解儿童股骨上段应力分布，对治疗策略的制定有一定的指导意义。

本课题来自中国医科大学附属盛京医院，课题的研究对象是正常儿童髋关节和髋关节脱位患儿，数据由中国医科大学附属盛京医院提供。

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

逆向工程技术是20世纪80年代后期出现在先进制造领域里的新技术，它是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，是CAD领域中一个相对独立的范畴。

20世纪90年代以来，激烈的市场竞争对产品研制开发的时间和产品的更新换代速度提出了越来越高的要求。

各个研究开发部门纷纷运用新的设计制造技术来满足市场需求，其中在产品设计制造领域中广泛采用了逆向工程方法来缩短产品研制周期。

进入90年代末期，深圳市鑫磊实业有限公司首先在国内业界推出拥有部分自主知识产权的逆向工程专用三维激光线扫描机——Laser-RE，从此开启了我国在逆向工程技术领域的里程碑。

目前逆向工程技术已经成为制造业研究的热点，取得了大量的研究成果。

1.2.2逆向工程的基本概念与特点

所谓逆向工程（ReveresEngineering——RE，也称反求工程，反向工程等）是对产品设计过程的一种描述。

与传统的“产品概念设计－产品CAD模型－产品（物理模型）”的正向工程相反，它是从实际物体上采集大量的三维坐标点，并由这些数据点建立该物体的几何模型【1】。

结合快速成形技术（RPM）可快速地制造出产品，其工作过程如图1-1所示。

图1.1逆向工程工作流程图

Fig1.1ReverseEngineeringworkingflowchart

在机械领域中，逆向工程（ReverseEngineering，RE）是在没有设计图纸或没有CAD模型的情况下，按照现有零件的模型，利用各种数字化设备对现有的实物进行扫描和测量，获得密集的空间点资料，然后通过计算机技术处理得到实物对象的数字模型和三维实体造型的过程。

逆向工程的技术过程一般可分为四个技术阶段：

1）零件原形的数字化：

通常采用三坐标测量机（CMM）或激光扫描等测量装置来测量获取零件原形表面点的三维坐标值。

此外还有层析法、光学测量、CT断层扫描图像法、立体视觉测量法等来获取原形的数字信息。

2）从测量的数据中提取零件原形的几何特征：

当零件原形数字化测量后形成一系列的空间点信息，应用计算机技术，采用几何特征匹配与识别等方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征，可为构造零件原形的CAD模型打下基础。

此过程中最关键也最复杂的是计算机的数据分割、拟合技术。

分割技术一般可以分为两类，一类是基于边界分割法，一类是基于区域分割法。

其中基于边界的分割法首先估计出测量点的法向矢量或曲率，然后根据将法向矢量或曲率的突变处判定为边界的位置，并经边界跟踪等处理方法形成封闭的边界，将各边界所围区域作为最终的分割结果。

这种方法易受到测量噪声的影响，特别是对于型面缓变的曲面该方法将不再适用。

基于区域的分割法是将具有相似几何特征的空间点划为同一区域，由于这种方法分割依据具有明确的几何意义，因此是目前较为常用的分割方法。

曲面拟合可以分为插值和逼近两种方式。

使用插值方法拟合曲面通过所有数据点，适合于测量设备精度高，数据点坐标比较精确的场合；使用逼近的方法所拟合的曲面不一定通过所有的数据点，适用于测量数据较多，测量数据含噪声较高的情况。

3）零件原形CAD模型的重建：

将分割拟合后的三维数据在CAD系统中做表面模型的曲面接合，并通过各表面片的求交与拼接可获取零件原形表面的CAD模型。

目前逆向工程中的建模过程仍使用常用的CAD/CAM软件如UG、PRO/E、SOLIDWORKS等机械设计领域的成熟大型软件，因为逆向工程起源于机械设计制造领域，同时方便实物对象的下一步制造。

4）新建CAD模型的检验与修正：

采用根据获得的CAD模型加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标，对不满足要求者,重复以上过程，直至达到零件的设计要求。

此过程中需要和现有的技术如快速成型技术、数控加工技术结合来加工样品，以提高精度和速度。

由以上逆向工程的一般技术过程中可以看出，其第二步从数据中提取有用的特征数据是重要而复杂的一步。

本文中的医学影像处理原理和机械制造领域的RE处理原理不一定完全相同，但处理过程和最终目的是相同的。

1.3医学图像的三维重建

1.3.1三维重建技术产生背景

70年代以来，随着计算机断层扫描（ComputedTomography），核磁共振成像（MagneticResonanceImaging）等医学成像技术的产生和发展，人们可以得到人体及其内部器官的二维数字断层图像序列。

这些医学成像的临床应用，使得医学诊断和治疗技术取得了很大的进展【2】。

但是，二维断层图像只是表达某一截面的解剖信息，仅有二维断层图像，人们很难建立起三维空间的立体结构。

为提高医疗诊断和治疗规划的准确性与科学性，可将断层图像序列转变成为具有直观立体效果的图像，展现人体器官的三维结构与形态，从而提供若干用传统手段无法获得的解剖结构信息，并为进一步模拟操作提供视觉交互手段。

医学图像三维重建与可视化技术就是在这一背景下提出的，这一技术一经提出，就得到大量研究与广泛应用。

1.3.2三维医学图像（数字模型）的临床应用

将医学数据体视化技术应用于医学系统中，在有效精确地提取出医学图像中相应目标特征量的基础上，进行人体组织或器官的三维重建，是很多实用系统的基础；在诊断医学、手术规划、放射计划以及模拟仿真等方面都有重要应用，其研究具有重要的学术意义和应用价值：

（1）三维医学图像使我们可以从任意角度观察人体结构，对人体内部各个组织的相对位置关系有一个全面的了解。

而且，对多种模态的图像进行图像融合，可以更准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及与周围生物组织之间的空间关系，从而及时、高效地诊断疾病；

（2）将基于PC机的三维医学数字模型用于模拟手术，可以找出最佳手术方案，分析解剖入路，用虚拟工具模拟复杂的手术过程，可以通过模拟组织运动更新手术状况，使解剖教学更加直观和方便；

（3）通过三维成像设备跟踪手术过程，可以增加手术的质量，减少对组织的意外伤害，在手术精确性要求甚高的神经外科中尤其适用；

（4）在制定放射治疗的计划时，帮助确定放射源的位置，保证治疗的效果，同时也使病灶相邻组织免受或少受照射。

在癌症病人的放射治疗过程中，放射线的位置是至关重要的，在治疗设备相同的模拟环境中对放治疗方案进行计算，可以确定最佳放射位置、方向和剂量；

（5）三维医学图像（数字模型）在植入物的设计与制造、生物力学的计算等方面有重要作用。

1.4医学数据可视化的意义及应用

数据可视化（DataVisualizatoin，DV）技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。

学术界常把空间数据的可视化称为体视化（VolumeVisualization，VV）。

数据可视化的应用十分广泛，几乎可以应用于自然科学、工程技术、金融、通信、生物医学工程和商业等各种领域。

医学数据的可视化是该技术在生物医学工程中的重要应用，已成为数据可视化领域中最为活跃的研究领域之一。

医学数据的可视化是由计算机断层图像（CT）、核磁共振成像（MRI）、核磁共振血管造影（MRA）、正电子放射断层扫描（PET）等成像设备获得患者有关部位的断层二维图像序列。

随着计算机软、硬件技术和数字图像技术的发展，医学图像已经开始从二维走向三维，逐步实现了医学数据体视化。

在人类的发展过程中一直面临着与疾病的斗争，这个斗争的过程必然要求从人体获取各种各样尽可能丰富的信息。

因而，与医学相关的、反映人体各种生理病理状态的解剖和功能信息，以及获取这些信息的方式方法等对疾病的诊断和治疗以及研究具有重大的意义。

自古以来“望、闻、问、切”都是国内外进行医学诊断最基本的手段。

自1895年伦琴发现了X射线以来，首先应用于医学领域，通过透视和照相对疾病进行诊断，从而开创了X射线照相技术，第一次无创伤地为人类提供了体内器官组织的解剖形态图像，使医学的诊断方式发生了翻天覆地的变化。

1972年X线计算机断层成像技术（X-CT：

X-rayComputerizedTomography）的出现奠定了现代医学影像学的基础，标志着人类进入二维断层可视时代。

其后，磁共振成像（MRI：

MagneticResonanceImaging），超声成像（UltrasonotOmography）、数字血管减影成像（DSA：

DigitalSubtractionAngiography）、核医学成像（PET、PECT）等各种新兴的医学成像技术相继出现并在临床上得到了广泛的应用，使得传统的医学诊断方式发生了革命性的变化。

使用计