（生物医学工程专业论文）人体胃部三维有限元模型的建立.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t g a s t r i cd i s e a s ei so n eo fm o s tc o m m o ng a s t r o i n t e s t i n a ld i s e a s e si nt h ew o r l d , w h i c ht h r e a t e n sh u m a nh e a l t h ya n dl i f eb a d l y g e t t i n gt h eb i o p s ya n dp a t h o l o g ys t u d y o fg a s t r i cm u c o s ai st h em o s ti m p o r t a n ta n de f f e c t i v ec l i n i c a lm e t h o dt od e t e c t , d i a g n o s eg a s t r i cd i s e a s e s w h e nc l i n i c i a n sm a n i p u l a t et h eb i o p s yc l a m pu n d e rt h e e n d o s c o p ew i t ht h e i re x p e r i e n c e t h ew a l lo fs t o m a c hw o u l d b ed e f o r m i n gu n d e rt h e i r f o r c e h o w e v e r , i ft h ef o r c ei st o ol a r g e , t h eb i o p s yc l a m pw o u l di n j u r yn o r m a lt i s s u e t h e r e f o r e ，i fd o c t o r sc o u l de x e r c i s ei nag a s t r i cs u r g e r ys i m u l a t i o ns y s t e mb e f o r et h e r e a ls u r g e r y , t h i sw o u l dh e l p t h es u r g e r ys i m u l a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n ta n d v a l u a b l er e s e a r c ht a s k t h es t o m a c hm o d e li nt h es u r g e r ys i m u l a t i o ns y s t e mn e e ds i m u l a t eh u m a n s t o m a c hr e a l i s t i c a l l ya n dp r e c i s e l yb o t hi nt h eg e o m e t r i c a la n dp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s n o to n l yi ti st h ea b s o l u t e l ys i m i l a rt oh u m a ns t o m a c hi nt h eg e o m e t r i c a ls h a p e , b u t a l s oi tc a nd e f o r ma n dr e a c tt ot h eo u t s i d ef o r c e f i n i t ee l e m e n tm o d e l 呷m ) ，w h i c h i sb u i l tb a s e do nt h ea c c u r a t eo r g a np r o t o t y p e ，i sf a m o u sf o ri t sf i n eg e o m e t r i ca n d p h y s i c a ls i m i l a r i t i e s a sar e s u i t ，t h e3 d f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fh u m a ns t o m a c hc a n b e 4 ：0 m ea g o o db a s et or e a l i z et h eh u m a ng a s t r i cs i m u l a t i o ns y s t e m i ti sj u s to nt h et h r e s h o l do ft h eg a s t r i cf i n i t ec l e m e n tm o d e lr e s e a r c ht i l ln o w , a n d t h e r e a r es o m ed e f a u l ti no t h e rs o f tt i s s u em o d e l i n gm e t h o d s t h ea i mo ft h i s d i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ec ti m a g e so fh u m a ns t o m a c h , b u i l d i n gg a s t r i c g e o m e t r i c a lm o d e lb ya u t o m a t i co rs e m i a u t o m a t i cm e t h o d s ，a n dt h e nb u i l d i n ga3 d f e m t h cc o n t e n t si nt h ed i s s e r t a t i o na l i s t e db e l o w ： t h er e l a t i v ea c a d e m i cb a s ek n o w l e d g eo fc ri m a g i n gf i e l da n df i n i t e e l e m e n ta n a l y z ea n dm o d e lf i e l da r ei n t r o d u c e df i r s t l y s p e c i a l l ya n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i c so fg a s t r i cc ti m a g e s a no v e r a l la r c h i t e c t u r eo fh u m a ng a s t r i cf e m s y s t e mi se s t a b l i s h e d , w h i c h i s d e s c r i b e di nt w ov i e wp o r t s ：t e c h n o l o g i c a lh i e r a r c h ya n df u n c t i o n a lm o d u l e s m 浙江大学硕十学位论文 a b s t r a c t a n d i m p o r t a n tt e c h n i q u e sa n dt o o l k i t s i n c l u d i n gt h ev i s u a lt o o l k i t ( v t 目a n d t h ei n s i g h t st o o l k i t ( i t k ) , a r ci n t r o d u c e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fg a s t r i cc ti m a g e s d e s i g na n dr e a l i z ea n e f f e c t i v em e t h o db a s e do nr e g i o ng r o wa l g o r i t h m w h i c hc a ns e l e c ta n ds e t t h es e e dp o i n ta u t o m a t i c a l l y , t os e g m e n tt h es e r i a lc ti m a g e s 3 ds u r f a c er e n d e rg a s 啊cg e o m e t r i cm o d e lb a s e do nm a r c h i n gc u b e s a l g o r i t h m t h em e t h o do ft r i a n g u l a rm e s hs m o o t h i n ga n ds i m p l i f i c a t i o nf o rg a s t r i c s u r f a c ei sr e s e a r c h e da n dc o m p a r e d i m p l e m e n t e dt h el a p l a c i a ns m o o t h i n g a l g o r i t h ma n do e ms i m p l i f y i n ga l g o r i t h m b a s e do nt h es t u d yo fp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fh u m a ns t o m a c h , a f t e r t r a n s f o r m i n gt h ec o n t e x td a t af o r m a t , m a k eu s eo fa n s y s t om o d e la n d a n a l y z et h em e c h a n i c so ft h eg 够t r i cf m e t h er e s u l to ft h ep h y s i c a la n a l y s eo f3 df e ms h o w st h a tt h em o d e lh a sg c o m e 疵 a n dp h y s i c a ls i m i l a r i t i e s k e yw o r d s ：f n r ee l e m e n tm o d e l ，s t o m a c hi m a g e s ，m e d i c a li m a g es e g m e n t a t i o n , 3 dr e c o n s t r u c t i o n , r e g i o ng r o wa l g o r i t h m ，m a r c h i n gc u b e s ，l a p l a c i a ns m o o t h i n g , q e m i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝垄基堂或其他教育机构的学位或证书而使 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：孪，岗浚签字f | 期：纱呻年占月7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授 权逝姿盘堂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，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 零恤溪 月7 r 铷虢。里、触鲫 签字胁岬年6 月7 同 学位论文作者毕业后去向：工作 工作单位：上国哗暗藏舜系绕萄腰搦司 电话：1 - 6 12 万卯 通讯地址：上淹审砑笳巨察衍矸投圈紧窜路蹭邮编：2 耐f e - m a i l ：k q 2 i l k 渊l l 枷嘣f 卿- 浙江大学硕十学位论文 致谢 致谢 值此论文完成之际，谨在此向我的导师吕旭东副教授表示崇高的敬意和衷 心的感谢。在两年的研究生学习阶段，吕老师是对我影响最深的一个人。他的 宽广胸襟、对科学研究一丝不苟的态度、对学科发展的前瞻性认识以及敏锐智 慧的眼光，一直激励着我不断努力向上。使我真正能够以积极、严谨、认真的 态度，来对待科研学习和工作。同时，非常感谢刘济全老师的一直以来对我的 指导。他学术视野开阔，对新知识、新技术有着快速理解掌握的能力，对论文 的指点给了我很大的启发。本文课题的选取、研究方向的确定、科研工作的开 展到最后的成文，都得到了吕老师和刘老师的精心指导和悉心教诲。 感谢段会龙教授的关怀与指导，他对问题一针见血的分析、处理能力，对 生物医学工程领域高屋建瓴的学术视野，都给了我很多的教益。 感谢实验室的邓宁、安继业两位师兄邓宁师兄善于思考总结，踏实勤恳， 乐于助人。安继业师兄对技术和学术有着灵活深刻的理解，精益求精。感谢他 们平时给予我的指导和帮助，以及为本文撰写提出的非常好的建议。 感谢邵逸夫医院放射科吴加国医生对我在数据获取和理解方面的大力帮 助。感谢胡梓逸、严淑敏、丁凯几位朋友对我的指点和帮助。 感谢实验室的赵晨晖、周群一、张金艳、李吴曼、黄正行、张立东、周海 燕、周幼静、李俊杰、陈星、吕颖莹、郭玮、姜涛、孙德宇、程文、王丽琴等 同学对我的帮助。 感谢维科软件公司的傅彬、尹登峰、应永进、程贵红、王红霞、王衍、徐 宝印、贾沛沛等对我论文的支持，与你们共同学习、生活使我学到了很多东西。 感谢我的亲人，他们在精神上给予我支持和鼓励，使我有信心克服一切困 难。 最后，向在此未提及的其他所有关心和支持我学业的老师、同学和朋友一 并表示衷心的感谢。 李悦溪 2 0 ( 7 7 年5 月于求是园 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 i i 课题背景和选题意义 胃部疾病是世界上常见的消化道疾病，严重威胁着人们的健康和生命。研究 表明对胃部疾病，尤其是慢性胃炎，的定期监测，可以让医生可以采取措施来干 预阻断其向更严重的胃癌发展【1 1 。众多l 晦床实例证明，胃粘膜活检对于诊断胃部 疾病具有极其重要的意义，是临床上最可靠的胃部疾病诊断方法。 胃粘膜活检技术就是，在做胃镜检查时，用活检钳钳取胃粘膜组织，然后将 取得的粘膜组织送病理检查，以获得局部病变的组织病理学诊蝌2 j 。当活检钳钳 取胃粘膜组织时，胃壁肌肉受到外力作用可能会被拉伸而产生形变。目前医生一 般靠经验来估计用力，但是一旦拉伸力过大而导致活检钳位移过大而碰触到正常 部位，可能会导致正常组织的损伤。 随着科技的进步，医学影像和计算机相关技术成为医生诊断和治疗的重要辅 助手段。在手术仿真系统的研究中，旨在通过精确的器官造型( 几何建模及物理 建模) ，逼真地模拟器官在外力作用下的变形，并提供操作者更加逼真的沉浸感。 很显然，胃部的仿真系统可以提供给医生进行手术操作练习的环境，使其能在手 术前对施力有更好的经验。这样在实际手术中，不仅可以减轻病人的痛苦，也可 以节约医生的时间，更有效地利用医疗资源。显然，此仿真系统中的胃部模型不 仅需要准确体现胃的几何特性，也要能够反映胃的物理力学特性。 研究表明，有限元模型和有限元分析方法目前已被广泛应用于生物医学领 域，它的主要优点【3 l 有：0 ) g 高度模拟物体结构与材料的特性；( 2 ) 既可以精确 地反映区域性的信息，又可以完整地反映全域性的信息；( 3 ) 既可以进行精确的 计算分析，又可以从事形象的、直观的定性研究：( 4 ) 分析研究的重复性好；( 5 ) 省时快捷，费用低廉；( 6 ) 应用面广，适应强，可以反复使用，无损耗；f 7 ) 能够 通过模拟分析方法研究实验方法所不能研究的情况，得到客观实体实验法所难以 得到的研究结果。 自1 9 7 2 年c t 问世以来，c t 检查在临床医疗实践中具有很多优点，包括： ( 1 ) c r 断层影像间形变较小，获得的信息全面、准确，并能反应较细致复杂的结 浙江大学硕十学位论文 第一荦绪论 构；( 2 ) 扫描无创伤和破坏性，保存了被检对象或物体的完整；( 3 ) 每一断层的二 维信息定位准确，且空间位置依次排列；( 4 ) 分辨率高，便于图像分割和力学参 数的应用；( 5 ) 数据、图形、图像可重复使用。 因此通过c f 扫描所获得的活体数据更加准确，据此而建立的几何模型更加 接近于真实。而有限元模型的良好几何相似性是准确进行力学模拟和分析的基 础。所以，基于胃部c t 图像而得到精确几何造型进而构建三维有限元模型具有 上述优点，可以作为建立胃部仿真系统的有利基础，因此具有重要研究意义。下 文将首先详细分析胃部c t 图像和有限元建模的相关基础知识。 1 2 c t 成像 1 2 1 c t 成像原理 c t 本质上是利用x 线穿透人体后的衰减特性作为诊断依据的在物理学原 理方面，c t 与普通x 线检查具有一致性，即遵从x 线指数衰减规律。数学表达 式为m ： i - l o e 一一( 1 - 1 ) 式中，表示通过物质衰减后的x 线强度，厶表示入射x 线强度，p 为物质 的x 线吸收系数，值与x 线波长、物质原子系数、物质密度有关，d 表示物 体厚度。 当x 线穿过一组厚度相同，爿值不同的物体时，其强度与入射x 线的强度 关系为： 。 i f f i 厶e 一州p 一叫e 一e - j r d 。i o e 一，和( 1 2 ) c t 是用x 线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该 层面的x 线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟数字转换器 ( a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r ) 转为数字信号，输入计算机处理。图像的形成处理有如 对选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素( v o x e l ) ，见图1 - 1 。 2 浙江大学硕+ 学位论文第一章绪论 图1 1 扫描层面像素与体素 图1 - 2 数字矩阵 扫描所得信息经计算而获得每个体素的x 线衰减系数或吸收系数，再排列 成矩阵，即数字矩阵( d i g 砌m a t r i x ) ，见图1 2 。数字矩阵可存贮于磁盘或光盘中 经数畜模拟转换器( d i g t a l a n a l o gc o n v e r t e r ) 把数字矩阵中的每个数字转为由黑到 白不等灰度的小方块，即像素( p i x e l ) ，并按矩阵排列，即构成c 1 图像。 1 2 2 c t 图像和c t 值、窗技术 c t 图像是解剖层面图，由一定数目的从黑到白不同灰度的像素按矩阵排列 所构成。这些像素反映的是相应体素的x 线吸收系数【刀。不同c 1 装置所得图像 的像素大小及数目不同。像素越小，数目越多，构成图像越细致，即空间分辨力 ( s p a t i a lr e s o l u t i o n ) 高。 c t 图像以不同的灰度表示器官和组织对x 线的吸收程度。与x 线图像所示 一样，黑影表示低吸收区，即低密度区，如肺部；白影表示高吸收区，即高密度 区，如骨骼。c t 与x 线图像相比，有更高的密度分辨力( d e n s i t yr e s o l u t i o n ) 。因 此，人体软组织的密度差别虽小，吸收系数虽多接近于水，还是能形成对比而 成像，这是c t 的突出优点 4 1 。c r 图像可用组织对x 线的吸收系数说明其密度 高低的程度，具有一个量的概念。 在实际研究与应用中，直接用吸收系数值进行比较和计算方法十分不便， 于是h o u n s f i e l d 以水的p 值作为标准，定义了一个新的p 值表度，即通常我们所 3 浙江大学硕+ 学位论文第一章绪论 说的c t 值，表示该部分x 线衰减的数据，单位为h u ( h o u n s f i e l du n i t ) 。它是将 高密度的骨皮质( + 1 0 0 0 ) 和空气( - 1 0 0 0 ) 衰减系数作为上下限划分为2 0 0 0 个单位， 然后与水的p 值做比照，得到各种组织结构的c t 值【7 i 。物体的密度越高则c t 值越大，密度越低则c t 值越小。c t 值与吸收系数有如下关系： c 瞄丝丛1 0 0 0 ( 1 - 3 ) 乒l 木 式中h 为吸收系数，1 0 0 0 为分度系数。 人体的大部分是肌肉和脂肪及碳水化合物组成的软组织，另外是骨骼、肺和 消化道内的空气及其它气体。只要知道了人体各组织的吸收系数p 燃，根据c t 值的公式，就可以很容易的得到各组织的c t 值，见表1 1 1 4 1 。 表1 - 1 常见人体组织c t 值 组织 c t 值( h u ) “ 组织 c t 值呷u ) 骨组织 4 0 0 肝脏5 0 7 0 钙质 8 0 3 0 0 脾脏3 5 6 0 血块 6 4 8 4 胰腺3 0 5 5 脑白质 2 5 3 5 肾脏 2 5 5 0 脑灰质 2 8 4 4 肌肉 4 0 5 5 血液 1 3 3 2 甲状腺 5 0 9 0 血浆 3 1 4 脂肪 2 0 一一1 0 0 渗出液 1 5 水 o 空气 2 0 0 漏出液( 蛋白 3 0 9 2 ) f a c e tn o r m a ln n ，n t o u t e rl o o p v e r t e x v h y b v j - v e r t e x u 。 v e r t e xu ，v 0 碥。 e n d l o o p e n d f a c e t 一个兰角形蕊片 i 若干个三角形面片 i e r d s o l k t ( m m e y 圉6 - ! , g , q o l i 码的s i l 文件结构 初始图形交换规范( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ，i g e s ) 是美国的一 个图形规范，已被转换成我国国家标准g b l 4 2 1 3 9 3 。由于它形成的比较早和完 善，所以被许多c a d c a m 软件作为与其他c a d c a e c a m 软件进行数据传 送的接口 标准的i g e s 文件包括固定长a s c i i 码、压缩的a s c i i 及二进制三种格式( 5 。 根据i g e s 规范，i g e s 文件分6 段：( 1 ) 标志( f l a 曲段；( 2 ) 开始( s t a r t ) 段；( 3 ) 全局 ( g l o b a l ) 段；( 4 ) 目录( d i r e c t o r ye n t r y ) 段；( 5 ) 参数( p a r a m e t e rd a t a ) 段；( 6 ) 结束 ( t e r m i n a t e ) 段。其中，标志段仅出现在二进制或压缩的a s c i i 文件格式中，一般 不需要。i g e s 前置处理器的工作重点是在目录段和参数段。每个元素( 如直线、 有理b 样条曲线等) 在元素目录段和参数段各有一项，耳录段项提供了一个索引 以及包含一些数据的描述性属性；参数项提供了特定元素的定义元素目录段中 的每一项格式固定，参数段的每一项与元素有关，不同的元素其参数项的格式和 长度也不同。每个元素的目录段项和参数段项通过双向指针联系在一起。文件每 行8 0 个字符。每段若干行，每行的第1 7 2 个字符为该段的内容；第7 3 个字符 为该段的段码；第7 4 8 0 个字符为该段每行的序号。如“d 0 0 0 0 0 0 7 “表示目录 段的第7 行，且列号不能出错。 在前面步骤的最终输出结果是以s t l 文件表示的，现在要输入a n s y s 进行 浙江大学硕十学位论文第六章胃的三维有限7 建模 有限元建模，需要将其转换为a n s y s 可识别的格式。论文选用了现有软件 s o l i d w o r k s 将s t l 文件转换为i g e s 文件。 6 3 2 模型分析方法 在划分网格前，我们首先需要对模型中将要用到的单元属性进行定义。单元 属性一般包括：单元类型、实常数、材料特性、横截面类型和单元坐标系。完成 单元属性定义后，划分网格之前，我们要对几何模型各部分指定单元属性。网格 大小参数设置根据精细与经济兼顾的原则，使得网格化后产生的单元既不能太 大，以保证一定的模拟精度；又不能过小，以减少分析时间及对计算机硬件的需 求。接下来进行网格划分，主要有两种网格划分方式：自由网格和映射网格所 谓“自由”，体现在没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单元不规则， 基本适于所有的模型。映射网格则要求满足一定的规则，即映射面网格只包含四 边形或三角形单元，映射体网格只包含六面体单元。映射网格生成单元形状比较 规则，映射网格适用于形状规则的体或面自由网格生成的内部节点位置比较随 l 意，无法控制；若想要控制内部节点位置，应考虑选择映射p 呵怡。 根据前述分析，我们应用层厚为o 7 5 r a m 的三维重建模型经平滑和简化后的 实体模型( 见图5 - 7 ) 作为有限元建模的原型，采用自由网格方式对正常胃部实体 模型进行网格化基于a n s y s 的有限元建模流程【5 2 1 见图6 2 。 我们采用在有限元建模中输入的以三角形的边作为单元。构成单元的是胃壁 的肌肉，以几何原型中的边来表示。而根据前文分析的软组织特点，胃壁肌肉层 可以认为是连续、分段均匀、各向同性的线弹性材料。所以这些肌肉可以用只受 拉不受压的梁( b e a m ) 单元来模拟。 生物组织或材料力学性质的测定不同与非生物组织或材料，其具有生物材料 获取困难尤其是人体组织更不易得到。原因是：( 1 ) 被测定组织分离困难；( 2 ) 被 分离出来的组织难与维持在活体状态的生物组织的变形往往很大，而应力应变 关系通常是非线性的且与受力的过程有关；( 3 ) 生物组织结构复杂属各向异性体， 生物组织的某些特性使实验难以进行等特点。不难看出得到统一而极精确的弹性 模量和泊松比是不现实的。所以，结合前人的实验测量，对材料的力学参数选择 初步定为：肌肉的弹性模量为8 2 m p a ，泊松比为o 4 0 i 矧，材料密度约为1 1 9 r a m 3 浙江大学硕十学位论文第六章胃的三维有限元建模 其中，需要说明的几个力学概念是： ( 1 ) 应力( s t r e s s ) = 当材料受外力时材料内部对外力的反应。应力的大小和方向 决定于所考虑点的位置和截面方向，用下述公式表示：应力( s ) = 作用( 列材料单 位面积( a ) ，单位为p a 。 ( 2 ) 应变( s t r a i n ) ：当材料受外力作用时引起的形变，主要有线应变和剪应变两 类，与所考虑点的位置和所选取的方向有关。应变的大小用下述公式表示：应变 ( e ) = 变化长度( 札) 初始长度( l ) ( 3 ) 弹性模i ( m o d u l u s o f e l a s t i c i t y ) ：材料在弹性极限内，应力与应变的比值。 由材料性质确定，反映材料抵抗弹性变形的能力。通常称法应力与线应变的比值 为( 拉压) 弹性模量，亦称为杨氏模量。记为e = ( s e ) a ( 4 ) 泊松比( p o i s s o nr a t i o ) ：杆状试件在轴向载荷作用下，在弹性范围内，横向 应变与轴向应变之比的绝对值，记作v 。 ， ! 力、约束的 ：位置、类型、 ：大小等 图6 - 2 a n s y s 的有限元模型分析流程 弹性模量、： 泊松比、： 密度、： 热膨胀系数： 等： ， 浙江大学硕七学位论文 第六章胃的三维有限元建模 曼! 詈曼鼍曼曼量曼鼍曼曼曼量覃曼曼曼曼詈曼曼曼曼曼曼曼詈曼曼曼曼曼曼量! 曼皇皇曼曼曼鼍鼍曼曼曼量鼍詈曼曼詈曼曼曼曼量曼曼曼曼曼皇曼曼毫曼! i 6 4 分析结果 图6 3 是建立的胃部三维有限元模型，共有3 0 5 8 个单元，1 0 2 1 个节点。因 为是从几何实体模型进行建模，因此从不同角度观察，有限元模型与原型具有非 常好的几何相似性。而且模型可以任意旋转和缩放。 围6 - 3a n s y s 有限元建模完成后结果 通过给模型添加不同的材料常数，边界条件以及在不同部位施加不同负荷 等，可用来模拟胃在不同状况下的各部分的力学改变。图6 _ 4 显示了在红色区域 的中心节点上施加力，位移之后，整个模型的其他部分的位移变化情况。从图示 中可以看出，其中的红色表示位移变化最大的区域，然后依次是橙色、黄色、浅 绿色、等区域。这是符合实际情况。另外，图6 - 5 显示了施加力，位移后，模型 的前后对比。其中白色网格表示施加前的，彩色网格是施加后的。 浙江大学硕+ 学位论文 第六章胃的三维有限元建模 图6 - 4 对模型上某节点施加力，位移后的表现 圉6 - 5 对模型上某节点施加力，位移后的前后模型比较 5 1 浙江大学硕士学位论文 第六章胃的三维有限兀建模 当然，一个有限元模型的有效性取决于它对具体事物的模拟程度，特别是几 何模拟。尽管表面提取技术和有限元分析软件已经有了很大的发展，但仍旧只能 是逼近真实而不能完全等同于真实。在建模过程中仍然存在有一些假设和简化， 这与真实情况不是十分相符，因而所建立的有限元模型就有可能存在有误差。有 限元模拟技术的不断改进，目的是为了使模拟更加接近于真实，并充分考虑到活 体组织中各种因素的影响，尽量减少简化和假设，从而使建立的三维有限元模型 及在其基础上进行分析的结果更加可靠，并将误差降低到最低程度但是，有限 元分析方法只能是试验生物力学研究的有益补充和验证，而不能完全替代实验研 究方法，其结论的真实性最终还是需要经过实验研究的检验。所以，对于胃部的 三维有限元模型验证也是如此 6 5 小结 本章中分析了软组织有限元建模的特点，经过三维几何模型的s t l 文件的 数据格式转换，分析了胃壁组织的相应组织属性，最终在a n s y s 软件中进行有 限元模型的材料等属性设置，并对于部分情况进行了仿真分析，显示了其可视化 结果，证明我们的三维有限元模型在几何相似性和力学相似性上已经成功的仿真 了人体胃部，为日后应用到其仿真系统中铺平了道路。 浙江大学硕士学位论文 第七章总结与展颦 7 1 全文总结 第七章总结和展望 胃部三维有限元模型是现代科学技术与实际需求相融合的结晶，它是胃部的 仿真系统的基础。同时，胃部三维有限元模型的研究是高度综合性的课题，涉及 到计算几何、图像图形学、生物力学、医学等学科专业本文基于人体胃部的 c t 图像，以半自动化创建了胃部几何模型，进而建立胃的三维有限元模型为目 标，对其胃部建模方法和思路做出探索性研究。 本文主要解决了以下一些问题： ( 1 )证明在c t 扫描图像的基础上建立有限元模型是切实可靠的。 ( 2 )建立了基于c t 图像的胃部三维有限元建模的总体架构，从技术体系化 与功能模块两个角度来阐述。技术体系包括基础理论、实现工具两个层次， 为进一步的研究指明了方向；功能模块从软件实现的角度给出了系统开发的 一个模块化设计，为系统持续开发与完善打下了坚实的基础。 ( 3 )针对胃部c t 图像的特点，利用各向异性滤波方法进行了有效的数字滤 波，并提出了基于区域生长法的序列图像的便捷有效的半自动化分割算法， 它只需要一个种子点输入，大大降低了用户工作量。同时良好的实现m a r c h i n g c u b e s 算法。 ( 4 )研究了面向胃部三维重建模型的三角网格平滑和简化技术分析并实现 了l a p l a c i a n 平滑算法。对比分析了两种网格简化算法：顶点删除法和q e m 边折叠法。改善了医学图像三维重建模型的质量，为后续的有限元建模做好 了准备。 ( 5 )利用现有软件对在不同模式下的数据进行了格式转换，以便其在有限元 软件中的应用。在a n s y s 采用实体建模法减少了模型生成的困难，建立并 分析了胃部的三维有限元模型的性质，进行的简单力学分析证明此模型基本 达到了要求。 浙江大学硕十学位论文第七章总结与展肇 7 2 研究展望 由于软组织有限元建模是一项复杂的工程，在本文的探索性研究的基础上， 还有许多工作有待于进一步完善，主要列举如下： ( 1 )医学图像三维重建的完善与补充。m c 算法还是存在一定的歧义问题， 需要对其进行修正，以改进三维重建模型的质量。 ( 2 )对数据格式的转换最好能够在系统内部良好的实现。由于数据需要经过 多个软件的导入与导出，常常会造成数据格式的不兼容以及拓扑信息的丢失 等问题。 。 ( 3 )提供更多的三角网格处理工具，包括孔洞填补、局部光顺、局部变形等。 用三角网格处理的方法来弥补三维重建模型质量的不足也是一种有效手段 ( 4 ) 对胃部的材料属性等进行进一步研究，以便研究分析胃部的生物力学， 从而更好的用于仿真系统。 ( 5 )在胃部三维有限元模型的基础上，构建胃部仿真导航系统，辅助医生进 行迅速无创的胃粘膜活检。 浙江大学硕+ 学位论文 参考文献 参考文献 【1 1 姒健敏。开展对萎缩性胃炎癌变干预阻断的研究。中华消化杂志。2 0 0 3 年 1 1 月，第2 3 卷第1 1 期 【2 】中国癌症网。h t t p ：w w w c n a i z h e n g c o m z l a z z l w e i a i w a z l 2 0 0 6 - 0 7 - 2 9 2 1 2 0 h t m f 3 】潘宏踝关节三维有限元模型的建立和临床应用。安徽医科大学。2 0 0 4 年硕 士论文。 f 4 】李想。c t 图像的应用研究。哈尔滨工程大学。2 0 0 4 年硕士学位论文 【5 1 刘小红，杨秀军，周怡和胃部疾病：c t 仿真胃镜与电子胃镜对比的实验 研究。临床放射学杂志。2 0 0 2 年第2 1 卷第8 期。 【6 】陈琼。三维有限元建模方法的研究现状。口腔医学。2 0 0 6 年4 月，第2 6 卷 第2 期 【刀于力牛。基于实体模型的牙颌组织三维有限元建模问题探讨。机械设计与研 究。2 0 0 2 年4 月，第1 8 卷第2 期 【8 】陈功。基于逆向工程的医学器官有限元建模方法。机械工程学报。2 0 0 6 年 1 月，第4 2 卷第1 期 【9 】邢英杰。虚拟手术系统技术现状。计算机工程与应用。2 0 0 4 年7 月 【1 0 】张彤。有限元法在颅面复合体生物力学研究中的应用。口腔颌面修复学杂 志。2 0 0 0 年6 月，第1 卷第2 期 【1 1 】t a y l o rc a a c o m p u t a t i o n a lf r a m e w o r kf o ri n v e s t i g a t i n gh e m o d y n a m i cf a c t o r s i nv a s c u l a ra d a p t a t i o na n d d i s e a s e d s t a n f o r d ：s t a n f o r du n i v e r s i t y ，1 9 9 6 【1 2 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of a i rs u r f a c ed e s i g n a i n ：c o m p u t e r g r a p h i c sp r o c e e d i n g s ，a n n u a lc o n f e r e n c es e r i e s a c ms i g gr a p h , l o sa n g e l e s ， c a l i f o r n i a , 1 9 9 5 3 5 1 - 3 5 8 3 6 】md e s b r u n , mm e y e r , ps c h r 6 d e r , c ta 1 i m p l i c i tf a i r i n go fi r r e g u l a rm e s h e s u s i n gd i f f u s i o na n d c u r v a t u r ef l o w a i n ：c o m p u t e rg r a p h i c sp r o c e e d i n g s ，a n n u a l c o n f e 化n c es e r i e s ，a c ms i g g r a p h l o sa n g e l e s ，c a l i f o r n i a , 1 9 9 9 3 1 7 - 3 2 4 1 3 7 李光明，田捷，何晖光，赵明昌。基于距离均衡化的网格平滑算法。计算 机辅助设计与图形学学报。2 0 0 2 年9 月，第1 4 卷第9 期 【3 8 】c i g