基于CT图像构建的腰椎三维有限元模型

1、中国组织工程研究 第16卷 第26期 20120624出版Chinese Journal of Tissue Engineering Research June 24, 2012 Vol.16, No.26 P .O. Box 1200, Shenyang 110004 47601School of Mechanical Engineering of Zhengzhou University,Zhengzhou 450001, Henan Province,China; 2Department of Orthopedics, Liulintun Hospital of Luancheng,Lu

2、ancheng 051430, Hebei Province, ChinaLiu Zhi-hua , Doctor, Associate professor, Masters supervisor, School of Mechanical Engineering of Zhengzhou University,Zhengzhou 450001, Henan Province, Chinaliuzhihuazzu. Corresponding author: GuanWen-hao, Master, School of Mechanical Engineering of Zhengzhou U

3、niversity,Zhengzhou 450001, Henan Province, Chinaguanwenhao123 Received: 2011-12-01 Accepted: 2012-01-14基于CT 图像构建的腰椎三维有限元模型刘治华1,管文浩1,檀中奇2Establishing a three-dimensional finite element model of human lumbar spine based on CT imagesLiu Zhi-hua 1, Guan Wen-hao 1, Tan Zhong-qi 2AbstractBACKGROUND: Comp

4、ared with the method of experiment biomechanics, the finite element analysis methods have unique advantages. How to establish the lumbar spine finite element model accurately is the key point of the finite element analysis.OBJECTIVE: To develop a three-dimensional finite element model of human lumba

5、r spine for biomechanical studies. METHODS: A normal adult male lumbar spine was scanned by GE 64-slice spiral CT, which obtained 351-layer pictures in DICOM format, the three-dimensional reconstruction model was established by Mimics software, and then, the model was introduced into Solidworks in t

6、he format of .stl to create physical model. Finally, the model was introduced into Ansys software, a convenient finite element model was obtained after assigning parameters and meshing. The validity of the model was verified by comparing the result with that of the in vitro biomechanical experiments

7、.RESULTS AND CONCLUSION: The three-dimensional finite element model of lumbar spine was established smoothly and distinctly. There were 144 411 nodes and 88 742 units in the model. The model had a high accuracy, and it conveniently applied the load and constraints for the finite element analysis. Th

8、e way in this study was an exact and practical one to establish the finite element model of lumbar spine for clinical doctors. The model could simulate the lumbar spine biomechanical experiment.Liu ZH, Guan WH, Tan ZQ. Establishing a three-dimensional finite element model of human lumbar spine based

9、 on CT images.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2012;16(26: 4760-4764. 摘要背景:与实验生物力学研究相比,有限元分析方法具有独特的优越性。如何准确地构建腰椎节段有限元模型是有限元分析的关键。目的:建立人体腰椎三维有限元模型用于生物力学分析。方法:利用GE 64排螺旋CT 对成年男性腰部进行扫描,得到351层DICOM 格式断层图像,应用Mimics 软件进行三维重建,将所得模型以.stl 格式导入Solidworks ,生成实体模型,最后导入Ansys 赋予材料属性并划分网格,得到便于分析的有限元模型。与体外生物力学实验数据对

10、比,完成模型验证。结果与结论:成功地建立了表面光滑、外观逼真的腰椎有限元模型。该模型共有144 411个节点,88 742个单元,具有较高的准确性,且可以方便地施加约束和载荷,进行有限元分析。为临床腰椎三维有限元模型建立提供了一种精确而实用的方法,所建模型可以用来模拟腰椎生物力学实验。关键词:腰椎;有限元模型;CT 图像;Mimics ;Ansys ;数字化骨科 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.26.003刘治华,管文浩,檀中奇. 基于CT 图像构建的腰椎三维有限元模型J.中国组织工程研究,2012,16(26:4760-4764. http:/www.cr

11、 0 引言腰椎是脊柱运动的枢纽,腰骶部神经和肌肉的协同作用产生腰椎的运动。腰椎运动极其复杂,椎体具有6个自由度其中3个为平动自由度,3个为转动自由度。腰椎运动范围大,承受的应力集中,是脊柱疾患最集中的部位之一。刘治华,等. 基于CT 图像构建的腰椎三维有限元模型 ISSN 1673-8225 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH4761www.CRTER.org1郑州大学机械工程学院,河南省郑州市 450001; 2栾城县柳林屯医院骨科,河北省栾城县 051430刘治华,男,1971年生,河北省栾城县人,汉族,2006年中国科学院长春光学精密机械与物理研究所毕业,

12、博士,副教授,硕士生导师,主要从事生物力学方面的研究。 liuzhihua 通讯作者:管文浩,硕士,郑州大学机械工程学院,河南省郑州市 450001guanwenhao123中图分类号:R318 文献标识码:A文章编号:1673-8225 (201226-04760-05收稿日期:2011-12-01 修回日期:2012-01-14 (20110930001/G C因此对于腰椎部位的生物力学研究是十分重要和迫切的。有限元分析法是数值计算中的一种离散化方法,是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用,是理论生物力学研究中最有效的分析方法。与实验生物力学相比,有限元分析法在可替代性、可重复

13、性和可控性等方面有独特的优越性。如何准确地构建腰椎节段有限元模型是有限元分析的关键。本文基于CT 薄层扫描技术,探讨一种快速建立精确度高、便于分析的腰椎三维有限元模型的方 法1-5。1 对象和方法设计:单一样本观察。时间及地点:于2011-03/15在河南省人民医院骨科完成。对象:选取1名男性健康志愿者,为省武警某部战士,25岁,身高174 cm ,体质量67 kg ,X 射线检查排除腰椎骨骼异常情况,受试者对试验方案知情同意。方法:数据采集:用64排螺旋CT(GE 公司,美国对腰椎沿横断面连续扫描,扫描条件为:120 kV ,250 mV ,层厚0.625 mm ,共351层,各断层图像以D

14、icom 3.0标准直接存储。建模环境:电脑配置:AMD Athlon64 5000+中央处理器,2 G 内存,NVIDIA GeForce 9500 GT 显卡,512 M 显存,Windous XP/Professional 操作系统。软件:医学图像处理软件Mimics 10.01(Materialise 公司,比利时,三维建模软件Solidworks(Dassault 公司,法国,大型有限元分析软件Ansys10.0(Ansys 公司,美国。建立几何模型:腰椎椎骨模型的建立:将DICOM 格式的CT 图片导入Mimics 软件中,为使椎骨细节尽可能多的被提取,同时掺杂较少的杂质,多次尝试

15、界定阈值在1991 489 HounsField 单位,进行区域增长,软件自动提取骨组织边界,此时各节椎骨是粘连在一起的,需要在边缘连接处进行分割。之后对每张CT 图片进行选择性编辑,去噪处理即可生成椎骨三维模型。处理好的CT 图片见图1。直接生成的三维模型较为粗糙,可利用Mimics 自带的网格优化工具Magics 对生成的模型进行光滑,减少锐利的三角片和自交叉等情况。优化后的椎骨模型见图26-8。椎间盘模型的建立:为保证椎间盘与椎骨紧密贴合以利于后续的有限元分析,采用布尔运算法建立椎间盘。首先界定阈值57199 HounsField 单位,进行区域增长,此时椎间盘与周围肌肉组织的边界并不清

16、晰,需要对比三视图对每张CT 图片进行编辑、去噪处理,并对椎间盘与椎骨接触处的CT 图片进行扩展,使得建立的椎间盘比实际的要厚一些,然后与之前建立的椎骨模型进行布尔减运算,得到实际形状的椎间盘。布尔运算前后的椎间盘见图3,4。Figure 1 CT images edited by Mimics software 图1 Mimics 中编辑处理后的CT 图片Figure 2 Skeleton model of lumbar spine optimizedby Magics software 图2 Magics 优化后的椎骨模型Figure 3 Intervertebral disc befor

17、e boolean operation 图3 布尔运算前的椎间盘刘治华,等. 基于CT 图像构建的腰椎三维有限元模型 P .O. Box 1200, Shenyang 110004 4762www.CRTER .org实体模型的建立:本文利用Solidworks 附带的Scan to 3D 插件,将Mimics 生成的面网格模型生成实体模型。将Mimics 生成的面网格模型保存为.stl 格式,导入Solidworks 中,启动网格处理向导,对网格进行定位、平滑,之后进入曲面向导,选择自动生成曲面,然后编辑特征线,对曲面进行修饰9。生成的实体模型见图5。建立有限元模型:将在Solidworks

18、 中建好的实体模型以“.x_t ”格式导入Ansys 中,赋予材料属性并划分网格。本文将椎骨模拟为皮质骨和松质骨两部分,椎间盘模拟为纤维环和髓核两部分。皮质骨和纤维环用壳单元SHELL63来模拟,松质骨和髓核用四面体单元SOLID92来模拟10-12。有限元模型的单元类型和材料属性见表113-16。利用Ansys 中的MeshTool 工具划分网格,采用自由网格划分,控制模型单元边长0.005 m ,局部单元边长0.003 m 。2 结果2.1 建立了腰椎有限元模型 成功地建立了表面光滑,外观逼真的腰椎有限元模型。该模型包含L 1L 5 5节腰椎和4节椎间盘,共有144 411个节点,88 7

19、42个单元,见图6。将椎骨从上到下依次命名为L 1L 5,将椎间盘从上到下依次命名为L 12L 45,各节椎骨和椎间盘所含节点和单元数见表2。该模型可以方便的施加约束和载荷,进行有限元分析。2.2 腰椎有限元模型的验证 由于现阶段的腰椎的离体生物力学实验多是腰椎第四至五节段,因此本文通过验证第四至五节段模型的正确性来完成有限元模型的验证。分别进行轴向压缩和侧屈条件下的验证。将腰椎第4,5节段和第4,5节段之间的椎间盘导入Ansys 建立有限元模型。为保证椎骨和椎间盘始终贴合在一起,避免模型牵引时产生位移导致接触失效,将椎间盘和椎骨之间设定为绑定接触17-19。在L 5的下表面设定6个自由度的约

20、束。在L 4上表面分别施加500,1 000,1 500 N 的竖直向下的力,腰椎的轴向位移分别为0.43,0.74,1.02 mm 。施加5,10,15 N m 的侧屈扭矩时,腰椎的角位移分别为2.1°,3.9°,5.7°。将有限元分析的结果与Brown 等20在相同条件下的实验结果进行比较,见图7,8。从图7,8中可以看出有限元模型的载荷位移曲线、侧屈角位移曲线均Figure 4 Intervertebral disc after boolean operation图4 布尔运算后的椎间盘Figure 5 Physical model of lumbar sp

21、ine图5 腰椎实体模型Figure 6 Finite element model of lumbar spine图6 腰椎有限元模型 刘治华,等. 基于CT 图像构建的腰椎三维有限元模型 ISSN 1673-8225 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH4763www.CRTER .org与实验得出的结果良好吻合,这便验证了所建有限元模型的准确性。3 讨论有限元分析是理论生物力学研究中最有效的应力分析方法,自1974年Belytschko 等27首次报道椎间盘有限元模型以来,脊柱有限元模型己由二维线性发展为二维非线性,又由二维非线性发展至三维非线性。现今的研究成果使腰椎有限元

22、模型不仅能真实地模拟椎体、椎间盘,还能将周围的韧带、肌肉组织直接或间接地加入模型,使模拟更加逼真、准确。要进行生物力学有限元分析首先要解决是模型问题,腰椎有限元模型建模方法包括基于医学图像的建模方法、使用数字化仪建模方法和采用解剖学数据建模方法等。其中,基于CT 图像的建模方法具有自动、标准、快速建模等优点,是腰椎运动节段几何模型建模的主要研究方法28。本文利用GE 公司先进的64排螺旋扫描CT ,得到层厚0.625 mm 的高质量的CT 断层图片,采用DICOM 格式直接存储,减少了处理过程中原始数据的损失。应用Mimics 强大的基于断层扫描图像的建模功能,通过对CT 图片的编辑、补洞等处

23、理,快速建立起精确性高的模型。椎间盘的建模较为困难,主要是因为椎间盘的阈值与肌肉组织接近,较难分离,而且椎间盘要与腰椎紧密贴合才利于后续的有限元分析。当前的椎间盘建模方法主要有两种,一种是在CAD 软件或Ansys 等有限元分析软件中单独建立,这种方法较为方便快捷,但是难以保证椎间盘的实际形状。另一种是在Mimics 中建立,这种方法的难点是如何保证椎间盘与椎骨之间的紧密接触。本文采用在Mimics 中运用布尔运算法建立椎间盘,即先将椎间盘建的比实际的要厚一些然后通过布尔减运算得到实际形状的椎间盘。这种方法建立的椎间盘能与椎骨紧密贴合,满足后续有限元分析的需要。本文在Mimics 中建立了面网

24、格模型后,导入Solidworks 建立实体模型,之后再导入Ansys 中建立有限元模型。有些研究者在Mimics 中建立面网格模型后直接导入Ansys 中画体网格29-30,因为由Mimics 生成的模型是一种面网格模型,直接导入Ansys 中并没有线、面、体等实体要素,划分网格后也难以准确快捷的施加约束和载荷,给以后的有限元分析中带来了不必要的麻烦。而通过生成包含线、面、体等实体要素的实体模型,可以方便的施加约束和载荷。此外还可以利用逆向工程软件Imageware ,Geomagic 等生成实体模型,但这两款软件操作繁琐,且模型精度与Solidworks 中生成的相差不大。本模型共有节点1

25、44 411个,单元88 742个,表面清晰光滑,外表逼真,精确度高,椎骨与椎间盘之间连接紧密,包含线、面、体等实体要素,易于进行有限元分析。但由于腰椎结构的复杂性,还有许多地方有待改进。本模型尚未添加韧带和小关节约束等结构,在硬件条件允许的情况下还可以进一步细化有限元网格,使有限元分析结果更加精确。致谢:感谢河南省人民医院骨科提供腰椎CT 数据。4 参考文献1Schmidt H, Heuer F , Wilke HJ. Dependency of discdegeneration on shear and tensile strains between annular fiber layer

26、s for complex loads. Med Eng Phys. 2009;31(6:642-649.Figure 7 Comparison of axial compression force-axialdisplacement graphs 图7 轴向压缩力-轴向位移曲线对比图3 0002 5002 0001 5001 0005000A x i a l c o m p r e s s i o n f o r c e (N 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5Axial displacement (mm1234 561: Simulated axial compression forc

27、e-axial displacement curve; 2, 6: Compression force-axial displacement curve obtained from the Brown 20 experiment; 3: Compression force-axial displacement curve obtained from the Markolf 21 experiment; 4: Compression force-axial displacement curveobtained from the Markolf et al 22 experiment; 5: Co

28、mpression force-axial displacement curve obtained from the Virgin et al 23 experimentFigure 8 Comparison of lateral moment-degree graphs 图8 侧屈扭矩-侧屈角位移对比图86420L a t e r a l d e g r e e (°5 10 15Lateral moment (N m1234 51: Simulated lateral moment-degree curve; 2: The lateral moment-degreecurve o

29、btained from the Schultz et al 24 experiment; 3: The lateralmoment-degree curve obtained from the Andersson et al 25 experiment; 4: The lateral moment-degree curve obtained from the Tencer et al 26 experiment; 5: The lateral moment-degree curve obtained from the Markolf et al 21 experiment刘治华,等. 基于C

30、T 图像构建的腰椎三维有限元模型 P .O. Box 1200, Shenyang 110004 4764www.CRTER .org2Chen SH, Tai CL, Lin CY , et al. Biomechanical comparison of a new stand-alone anterior lumbar interbody fusion cage with established fixation techniques - a three-dimensional finite element analysis. BMC Musculoskelet Disord. 2008;

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