Mimics 14.0軟件在脛骨螺釘外固定架模型建立的初步應用

鄭 軼，尹慶水，王智運，馬立敏

（1.南方醫(yī)科大學研究生學院 510515；2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院 510010）

四肢骨折是臨床常見的疾病，在所有的戰(zhàn)傷中，雙下肢損傷占1／4［1］。而脛骨的開放性骨折在戰(zhàn)爭中或者大型突發(fā)事件中發(fā)生率高。外固定器是治療脛骨開放性骨折的有效方法之一［2－3］。常用的外固定器質(zhì)量重，結(jié)構較為復雜，操作繁瑣，不易大規(guī)模應用于突發(fā)事件中。本文旨在通過利用Mimics 14.0軟件，利用脛骨、螺釘CT掃描數(shù)據(jù)，初步建立脛骨、外固定器螺釘裝配體，為后續(xù)的不同材質(zhì)螺釘?shù)馁x值，通過運用Abaqus、Ansys等大型有限元分析軟件分析不同材料的螺釘?shù)姆€(wěn)定性，從而篩選出適宜戰(zhàn)場和大型突發(fā)災害導致脛骨開放性骨折的外固定螺釘?shù)牟牧希岣弑Ｖ省?/p>

1 材料與方法

1.1 材料 CT圖像：選擇1名21歲的健康男性志愿者，身高172cm，體質(zhì)量68kg。經(jīng)X線檢查排除骨質(zhì)疏松等器質(zhì)性病變，簽署知情同意書，對脛骨行0.625mm層厚的連續(xù)掃描，得到DICOM格式的圖片1 000張。選取脛骨平臺下5cm開始的脛骨干圖片60張導入Mimics 14.0軟件。

1.2 儀器設備 采用美國GE公司生產(chǎn)的雙源電子計算機斷層掃描裝置（CT）獲得基本數(shù)據(jù)，掃描參數(shù)：掃描層厚為0.625 mm，120kV。電腦的基本配置：CPU主頻為2.53GHz，內(nèi)存為2.00GB，軟件為 Mimics 14.0軟件（試用版）（Materialise，Belgium），Abaqus／CAE6.11（Simulia，USA）。

1.3 三維模型建立 將CT掃描數(shù)據(jù)（DICOM格式）導入Mimics 14.0軟件中，根據(jù)骨組織的CT值設定灰度閾值（226～1 852），通過蒙板編輯，應用空腔填充等方法逐層對掃描圖像進行填充（圖1A，1B）。應用 Mimics 14.0軟件的高精度三維模型的計算功能建立脛骨的三維模型。通過對模型的光順、縮減三角面片及包裹等功能進一步完善脛骨模型（圖1C）。

1.4 模擬手術置釘 選擇臨床上常用的脛骨外固定器螺釘（直徑5mm，長度12cm），進行螺旋CT掃描，掃描的條件同上。將其導出為STL文件，導入脛骨三維模型運用模擬手術模塊進行模擬置釘（圖1D），通過透視觀察確定螺釘?shù)木_位置（圖1E）。

1.5 網(wǎng)格劃分及組裝 利用Mimics 14.0軟件自帶的3－matic 6.0軟件進行網(wǎng)格劃分、組裝及體網(wǎng)格的劃分。將脛骨的三維模型和螺釘?shù)腟TL文件導入Mimics 14.0軟件的Remesh模塊，裝配脛骨螺釘組合體，利用 Auto－mesh、Quality reserve、Growth control等進一步優(yōu)化網(wǎng)格，無法自動修正的網(wǎng)格用手工方法進行修改以達到有限元分析的要求（圖2A，2B）。運用3－matic 6.0自帶創(chuàng)建體網(wǎng)格的方法對復合體進行體網(wǎng)格的劃分，可以選擇tet4或者tet10。轉(zhuǎn)化為體網(wǎng)格無縫接口可輸出STL文件，lis文件（Ansys），inp文件（Abaqus）等供不同有限元文件分析。

1.6 賦值并導入Abaqus 利用Mimics 14.0軟件FEA模塊中的Material功能對脛骨螺釘組合體賦質(zhì)。經(jīng)過自動分析計算灰度值對脛骨賦值，也可以通過查表賦值等方法對材料賦值（圖2C）。將文件輸出為有限元軟件需要的格式（inp）導入Abaqus軟件做進一步分析（圖2D，2E）。

圖1 三維模型建立主要步驟

圖2 網(wǎng)格劃分、賦值及導入有限元分析軟件

2 結(jié) 果

2.1 脛骨螺釘裝配體三維模型的建立結(jié)果 脛骨模型的面積為5 844.53mm2，體積為32 594.19mm3，共有4 744個三角面片構成，創(chuàng)建582 750個單元，螺釘?shù)捏w積3 302.18mm3，面積2 289.59mm2，共有4 362個三角面片，創(chuàng)建11 868個單元。

2.2 賦材質(zhì)的結(jié)果 運用Mimics 14.0軟件中FEA模塊中的材料賦值功能，根據(jù)灰度值計算等方法分別對脛骨進行材料屬性賦值（表1）和螺釘?shù)馁x值。

表1 脛骨材料屬性賦值

續(xù)表1 脛骨材料屬性賦值

3 討 論

有限元法（finite element method）是機械工程中用來分析結(jié)構應力應變的一種數(shù)值算法。通過有限元計算，可以顯示結(jié)構應力應變和位移分布，使設計者了解結(jié)構的力學特性，發(fā)現(xiàn)結(jié)構強度或剛度的薄弱點，從而方便改進和優(yōu)化［4－5］。有限元分析方法，為骨科臨床植入物的設計提供精確的計算機模擬方法［6］。而有限元分析的基礎是良好的三維模型及優(yōu)良的網(wǎng)格劃分。而Mimics 14.0軟件在模型的三維重建方面具有不可比擬的優(yōu)勢，其導入的格式多，轉(zhuǎn)化、編輯三維模型的速度快，質(zhì)量高［7－8］。而從 Mimics 14.0之后的版本又增加劃分體網(wǎng)格的功能，避免借助第三方軟件劃分體網(wǎng)格。整合的模型經(jīng)過賦值可直接導入有限元分析軟件進行有限元分析。而Mimics 14.0的優(yōu)勢自動保存的速度和原來相比提高了90%，實現(xiàn)醫(yī)學圖像到實體IGES文件的無縫式工作流程，簡化逆向工程，與有限元軟件實現(xiàn)無縫連接［9］。

當前骨科學對四肢骨折固定和愈合方面的觀點已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變：（1）直接復位轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接復位。（2）加壓固定轉(zhuǎn)變成橋式固定。（3）絕對穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Ψ€(wěn)定。（4）直接愈合轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接愈合。觀念轉(zhuǎn)變的原因在于骨折部位的血運保護日益重視，通過堅固固定結(jié)合彈性固定，骨折斷端不斷應力刺激，促進內(nèi)外骨痂形成，使骨折牢固愈合，降低骨不連等各種并發(fā)癥的產(chǎn)生［10］。

脛骨前內(nèi)側(cè)軟組織薄弱，易形成開放性損傷。簡易外固定器恰好符合這種觀念的轉(zhuǎn)變，骨外固定器為骨折提供穩(wěn)定框架并保護軟組織，不影響鄰近節(jié)段關節(jié)的活動，通過應力刺激達到骨性愈合，而且便于傷口的處理，防止軟組織的攣縮［11－12］。但是，常用的外固定器質(zhì)重，操作較為繁瑣，不易攜帶，無法滿足大量救治傷員的需要［13］。本文的研究目的旨在建立脛骨螺釘?shù)挠邢拊S模型，通過賦值脛骨、螺釘來驗證賦值不同材質(zhì)螺釘?shù)目尚行?，為進一步有限元分析奠定基礎，從而遴選出不影響生物力學即時穩(wěn)定性、質(zhì)輕價廉、易于攜帶的新型材料，從而為外固定在特殊條件下的大規(guī)模應用提供條件。

Mimics 14.0軟件的優(yōu)勢在于三維模型的建立和材料的賦值，而網(wǎng)格也可以通過其他的方法（Hypermesh軟件等）進行劃分；而螺釘?shù)脑O計可以通過CAD軟件如Pro／E、Solidworks等繪制進一步優(yōu)化模型，提高分析的準確率。在實際工作中必須結(jié)合動物實驗或者臨床觀察，多方面結(jié)合才能研究出科學的骨科外固定器材［14－15］。

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