基于CT數(shù)據(jù)建立髖關(guān)節(jié)三維有限元模型的研究

張海峰，宋翠榮，龐　胤，趙文濤，吳　岳，趙長(zhǎng)義，任國(guó)山

（1.滄州醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，河北 滄州　061001；2.河北醫(yī)科大學(xué)，河北 石家莊　050061）

基于CT數(shù)據(jù)建立髖關(guān)節(jié)三維有限元模型的研究

張海峰1，宋翠榮1，龐胤1，趙文濤1，吳岳1，趙長(zhǎng)義2，任國(guó)山2

（1.滄州醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，河北 滄州061001；2.河北醫(yī)科大學(xué)，河北 石家莊050061）

目的：建立髖關(guān)節(jié)三維有限元模型，并驗(yàn)證其有效性，以用于后續(xù)的生物力學(xué)分析。方法：選取1名志愿者，采集髖部CT數(shù)據(jù)，導(dǎo)入軟件Mimics 14.0軟件，建立髖三維幾何模型，再經(jīng)Ansys13.0軟件劃分網(wǎng)格、賦材質(zhì)，建立三維有限元模型。在此模型上施加220N髖關(guān)節(jié)正立位的模擬體重壓力，其應(yīng)力分布與相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)照。結(jié)果：成功建立了髖關(guān)節(jié)三維模型和有限元模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)為284 183個(gè)、單元數(shù)為160 665個(gè)。在模擬重力作用下，應(yīng)力分布與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。結(jié)論：建立的三維有限元模型其有良好的仿真性，可以用于臨床生物力學(xué)分析。

髖關(guān)節(jié)；體層攝影術(shù)，螺旋計(jì)算機(jī)

髖關(guān)節(jié)是人體關(guān)節(jié)窩最深、最典型的杵臼關(guān)節(jié)，主要由髖骨和股骨兩部分通過(guò)髖臼和股骨頭連接在一起。隨著社會(huì)老齡化，髖關(guān)節(jié)損傷的發(fā)病率逐年增高［1］，如關(guān)節(jié)脫位、骨折等。相關(guān)研究表明一切損傷的本質(zhì)是力的改變［2］，由于髖關(guān)節(jié)形狀不規(guī)則，不易模擬，有關(guān)髖關(guān)節(jié)的力學(xué)研究相對(duì)不足。進(jìn)行力學(xué)分析，必須要建立一正常有限元模型，近年來(lái)，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件運(yùn)算建立三維模型成為了研究的熱點(diǎn)，方法眾多，但大部分過(guò)程描述都比較簡(jiǎn)單，筆者結(jié)合實(shí)際操作，簡(jiǎn)述利用CT數(shù)據(jù)建立三維有限元模型的過(guò)程，以便進(jìn)一步后續(xù)的生物力學(xué)分析。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

CT：美國(guó)GE公司Light sPeed 64排螺旋CT機(jī)。電腦硬件：酷睿雙核CORE i7臺(tái)式電腦；硬盤：500G；內(nèi)存：4G；顯示器：雙21寸寬屏液晶型；顯卡：9600GT。

軟件：Mimics14.0評(píng)估版 （Materialise公司）；Ansys13.0（美國(guó)ANSYS公司），3-Matic5.1。

1.2實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選取1名成年男性志愿者作為模擬對(duì)象，為保證所建模型具有代表性，根據(jù) 《中國(guó)成年人人體尺寸》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)50百分位數(shù)據(jù)，35歲，身高176 cm，體質(zhì)量66 kg。要求：身體健康，預(yù)先行髖關(guān)節(jié)X射線檢查排除畸形和損傷情況。實(shí)驗(yàn)前告知其相關(guān)內(nèi)容，并征求其同意。

1.3實(shí)驗(yàn)步驟及方法

1.3.1CT圖像掃描

要求模擬對(duì)象仰臥于掃描床上，髖部放松，雙膝關(guān)節(jié)伸直、并攏，全髖關(guān)節(jié)位于掃描視野的中心，保持縱軸方向不動(dòng)，調(diào)節(jié)CT掃描條件，選擇髖部視窗，調(diào)整掃描層厚度。掃描范圍自髖骨上緣5 cm至股骨上段1/2左右。掃描參數(shù)設(shè)定為：電壓120 kV，電流280 mA，層厚1.25 mm，床進(jìn)速度1.3 mm/s。最終獲得完整的盆區(qū)CT平掃影像數(shù)據(jù)，252幅斷層掃描二維圖像，分辨率為512×512像素，掃描圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式存儲(chǔ)到可讀寫光盤中。

1.3.2圖像導(dǎo)入

將CT掃描圖像中含有髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)連續(xù)的201幅圖像導(dǎo)入到MIMCS14.0軟件中。Mimics14.0軟件能自動(dòng)讀取CT圖像的大部分信息，但方向需要手動(dòng)定義。對(duì)導(dǎo)入的原始圖像進(jìn)行ToP、Bottom、Left、Right、Anterior、Posterior六個(gè)方向設(shè)定，保證重建的三維模型方向與人體坐標(biāo)軸方向一致；然后點(diǎn)擊轉(zhuǎn)換按鈕生成導(dǎo)入后的界面，如圖1所示。包含三個(gè)斷面圖像：右上方為橫斷面，左上方為冠狀面圖像，左下方為矢狀面圖像，右下方為生成模型的三維視窗。

圖1　將CT圖像導(dǎo)入到Mimics14.0建模軟件。Figure 1.ImPort CT Picture data into the Mimics14.0 software.

1.3.3組織提取與三維重建

用Mimics14.0軟件打開(kāi)CT數(shù)據(jù)文件，利用閾值調(diào)整工具（Thresholding）依據(jù)CT的灰度值提取髖骨輪廓，輪廓的閾值設(shè)定為Bone（CT）226～307 1 HU，自動(dòng)生成蒙板（Mask）。

然后利用區(qū)域增長(zhǎng)工具（Region growing）在髖骨范圍內(nèi)選擇熱區(qū)，點(diǎn)擊“建模”命令，即可生成髖骨模型。若有任何一點(diǎn)和骶骨或股骨相連，則需利用選擇性編輯工具（Edit masks）分割髖骨和股骨或骶骨之間的蒙板，去除髖骨以外的蒙板區(qū)域［3-5］。同樣操作，建立股骨、骶骨的三維模型。

最后，將髖骨、股骨上段和骶骨的蒙板分別通過(guò)計(jì)算（Calculate 3D from mask）生成了各骨三維幾何模型（圖2）。

圖2　雙側(cè)髖骨和股骨的三維立體模型。Figure 2.Three-dimension model of bilateral hiP and femur.

將三維模型通過(guò)FEA模塊的Remesh功能進(jìn)行光滑處理，最終得到的模型結(jié)構(gòu)完整、表面光滑。此類模型不含有冗余的數(shù)據(jù)，收斂性好，方便導(dǎo)入Ansys13.0軟件進(jìn)行運(yùn)算。

1.3.4網(wǎng)格的生成和優(yōu)化

將光滑處理后的各骨三維模型導(dǎo)入3-Matic5.1軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的主要步驟包括：設(shè)置單元參數(shù)、由面生成體、設(shè)定體單元類型、劃分體網(wǎng)格、測(cè)試網(wǎng)格質(zhì)量五步。

網(wǎng)格劃分后需要使用網(wǎng)格醫(yī)生功能檢查網(wǎng)格片質(zhì)量并修復(fù)和優(yōu)化。把優(yōu)化后的網(wǎng)格模型導(dǎo)入軟件ANSYS 13.0前處理模塊，再次劃網(wǎng)格，導(dǎo)出網(wǎng)格模型文件，包括1個(gè)髖骨文件、1個(gè)股骨文件 （圖3～5）。點(diǎn)擊ExPort菜單“輸出有限元模型”，選擇Ansys對(duì)應(yīng)的“*.cdb”格式保存。

1.3.5材料設(shè)定

綜合蔡兵、王以進(jìn)［6］的試驗(yàn)結(jié)果，將骨密質(zhì)的彈性模量設(shè)為10 000 MPa，泊松比設(shè)為0.3；骨松質(zhì)的彈性模量設(shè)為1 000 MPa，泊松比設(shè)為0.3。

1.3.6設(shè)定約束和選擇接觸關(guān)系及有效性檢驗(yàn)

在Ansys13.0中進(jìn)行髖關(guān)節(jié)受力分析，對(duì)股骨上段下端橫斷面進(jìn)行約束（Fixed SuPPort），沒(méi)有位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。髖臼和股骨頭之間的接觸關(guān)系設(shè)定為：“No SeParation”。

每側(cè)下肢為體質(zhì)量的1/6，上身占2/3的體質(zhì)量，一側(cè)承擔(dān)1/3的量［7］。其體質(zhì)量承重載荷以220N的軸向正壓力模擬，觀察髖骨和股骨的Von Mises應(yīng)力分布及位移情況，驗(yàn)證模型的有效性。

圖3　左側(cè)髖骨的三維網(wǎng)格模型?！D4　左側(cè)股骨上段的三維網(wǎng)格模型?！D5　左側(cè)髖關(guān)節(jié)三維網(wǎng)格模型后面觀。Figure 3.　Three-dimension mesh model of left hiP bone.　Figure 4.　Three-dimension mesh model of left femur.Figure 5.Three-dimension mesh model of left femur and hiP bone back view.

2　結(jié)果

采集的CT圖像解剖結(jié)構(gòu)顯示清晰，導(dǎo)入Mimics 14.0軟件，經(jīng)過(guò)設(shè)定閾值，提取蒙板，分割，修補(bǔ)以及表面光滑處理，成功的建立了雙側(cè)髖骨、骶骨和股骨上段的三維幾何模型（圖2）。模型形象逼真、結(jié)構(gòu)完整、表面光滑、立體感強(qiáng)，可以賦予不同色彩，任意組合顯示與隱藏，隨意縮放和旋轉(zhuǎn)、精確測(cè)量任意兩點(diǎn)間的距離，具有良好的視覺(jué)效果。

運(yùn)用3-Matic模塊，對(duì)所建模型網(wǎng)格劃分，賦材質(zhì)，生成三維有限元模型。髖骨骨密質(zhì)節(jié)點(diǎn)數(shù)為132 275個(gè)、單元數(shù)為76 394個(gè)，髖骨骨松質(zhì)節(jié)點(diǎn)數(shù)為57 138個(gè)、單元數(shù)為30 968個(gè)，股骨骨密質(zhì)節(jié)點(diǎn)數(shù)為62 111個(gè)、單元數(shù)為34 392個(gè)，股骨骨松質(zhì)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32659個(gè)、單元數(shù)為18911個(gè)（圖6～9，表1）。

經(jīng)設(shè)定材料屬性、接觸關(guān)系，約束、加載，得出應(yīng)力力分布云圖（圖10，11）。和體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，與已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)高度吻合，表明該模型具有良好的生物逼真度，可用于生物力學(xué)分析。

表1　有限元模型節(jié)點(diǎn)和單元的數(shù)量

圖6　左側(cè)髖骨骨密質(zhì)的三維有限元模型。　圖7　左側(cè)髖骨骨松質(zhì)的三維有限元模型?！D8　左側(cè)股骨骨密質(zhì)的三維有限元模型。圖9　左側(cè)股骨骨松質(zhì)的三維有限元模型。Figure 6.　Three-dimension finite element model of hiP bone comPact substance.　Figure 7.　Three-dimension finite element model of hiP bone Cancellous substance.　Figure 8.　Three-dimension finite element model of femoral comPact bone.　Figure 9.　Three-dimension finite element model of femoral cancellous substance.

圖10　模擬300N正壓力下的應(yīng)力分布圖前面觀?！D11模擬300N正壓力下的應(yīng)力分布圖左側(cè)觀。Figure 10.　Distribution of total stress under 300N axial force on the anterior view.　Figure 11.　Distribution of total stress under 300N axial force on the left lateral view.

3　討論

人體器官三維模型重建包括三種方法［8］：通過(guò)CAD軟件、通過(guò)人體斷層圖像、通過(guò)CT，MRI影像數(shù)據(jù)建模。由CAD軟件所建的模型表面粗糙，與人體解剖結(jié)構(gòu)存在差異，人體斷層圖像法建模提取組織器官輪廓時(shí)丟失信息較多，模型精確度不高?；贑T數(shù)據(jù)建模是通過(guò)掃描，利用逆向工程軟件進(jìn)行器官三維重建。此類模型生物仿真度高，建模速度快。

本研究所建髖關(guān)節(jié)模型的精度較高，整個(gè)模型達(dá)節(jié)點(diǎn)數(shù)為284 183個(gè)、單元數(shù)為160 665個(gè)，超過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)建立有限元模型。在骨性結(jié)構(gòu)賦材質(zhì)方法上，根據(jù)骨質(zhì)不同部位的密度進(jìn)行賦值，這樣使模型更符合生理特點(diǎn)。有限元分析軟件選用的是最新版的ansys13.0，建模軟件選用的是最新版的Mimics14.0，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的還較少。

建模成功的關(guān)鍵一：CT掃描圖像的清晰度，掃描圖像越清晰，所建模型視覺(jué)效果越好［9］。機(jī)器工作時(shí)不可避免地震動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，所以必須對(duì)圖像進(jìn)行濾波和平滑處理，以抑制噪聲，提高信噪比，增強(qiáng)圖像特征。遵循的原則：盡最大程度地保持信號(hào)不丟失，不能損壞圖像的邊緣輪廓；盡最大程度的濾除噪點(diǎn)。

關(guān)鍵二：閾值的選取，輪廓邊緣信息提取的越清晰完整、三維重建運(yùn)算速度越快、準(zhǔn)確性越好［10］。

關(guān)鍵三：毛刺和空洞，若圖像中不同結(jié)構(gòu)分割不完整，生成的模型表面不光滑，包含一些不需要的結(jié)構(gòu)，將形成毛刺；若圖像內(nèi)部丟失結(jié)構(gòu)，將形成空洞。存在毛刺、空洞的髖模型不能進(jìn)行有限元研究［11-13］，必須進(jìn)一步修整。利用選擇性編輯（Edit masks）工具中的Draw、Erase、Threshold功能，擦去毛刺，填滿空洞；且需要反復(fù)驗(yàn)證，達(dá)到模型表面的最光滑。這一過(guò)程極其繁瑣，耗時(shí)，必須做好，如果這一環(huán)節(jié)沒(méi)處理好，將無(wú)法執(zhí)行以后的操作，導(dǎo)致整個(gè)建模的失敗。

關(guān)鍵四：網(wǎng)格優(yōu)化。優(yōu)化就是提高網(wǎng)格質(zhì)量，減小網(wǎng)格單元數(shù)量。一般情況，單元類型應(yīng)盡量選擇六面體和五面體，由于髖骨形狀不規(guī)則，不滿足六面體和五面體映射劃分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只能選擇三棱四面體單元［14］。質(zhì)量不好的四面體需手動(dòng)標(biāo)記、更改、合并或刪除，再經(jīng)過(guò)網(wǎng)格自交測(cè)試，保證沒(méi)有相交或壞邊的四面體，這樣可以減小模型的幾何誤差，可以進(jìn)行力學(xué)分析［15］：應(yīng)力峰值、承載區(qū)、力矩分布等。

本研究成功建立了髖關(guān)節(jié)的三維有限元模型，尚存在不足：本模型僅包含了髖骨和股骨，沒(méi)有建立肌肉和韌帶，在后續(xù)研究中逐漸完善解剖結(jié)構(gòu)及確定其各項(xiàng)參數(shù)，更好的模擬真實(shí)情況，促進(jìn)生物力學(xué)的發(fā)展。

［1］Bachiller FG，Caballer AP，Portal LF.Avascular necrosis of the femoral head after femoral neck fracture［J］.Clin OrthoP Relat Res，2002，399:87-109.

［2］趙煥彬，王海濤，劉建國(guó).男子短跑運(yùn)動(dòng)員上下肢關(guān)節(jié)力矩的研究［J］.中國(guó)體育科技，2006，42（1）：23-24.

［3］Lan J，Chen QX，Zhai XJ.The change of shaPe and curvature in degenerative lumbar disc and its clinical significance［J］.Chin J Clin Anat，2005，23（2）:157-159.

［4］Lu YM，Hutton WC，GharPuray VM.Can variations in intervertebral disc height affect the mechanical function of the disc［J］. SPine，1996，21（19）:2208-2216.

［5］趙璐璐.顱腦阻抗特性三維建模及磁感應(yīng)成像仿真研究 ［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2013.

［6］蔡兵，于沈敏，林文，等.人工肱骨頭假體柄界面剪切應(yīng)力的生物力學(xué)研究［J］.創(chuàng)傷外科學(xué)雜志，2013，15（3）：233-236.

［7］郝正瑋，李建民，趙雅寧，等.下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究進(jìn)展［J］.中華物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)雜志，2012，34（11）：862-863.

［8］姜廣宗，李學(xué)鋒，聶林，等.利用MIMICS和ABAQUS建立正常人頸椎的三維有限元模型 ［J］.中國(guó)矯形外科雜志，2013，21（11）：1114-1119.

［9］張?jiān)?，張軍英，盧虹冰.低劑量CT投影圖像噪聲分析及去噪算法研究［J］.光電子激光，2010，21（7）：1076-1077.

［10］束搏，邱顯杰，王兆其.基于圖像的幾何建模技術(shù)綜述［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2010，47（3）：551-552.

［11］朱希田.寰椎后路置釘通道的三維CT分析及臨床應(yīng)用 ［D］.北京：北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，2013.

［12］楊治榮，李勇杰，馬騰.三維數(shù)字人腦模型的構(gòu)建與驗(yàn)證［J］.第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（3）：291-294.

［13］姜廣宗，李學(xué)鋒，聶林，等.利用MIMICS和ABAQUS建立正常人頸椎的三維有限元模型 ［J］.中國(guó)矯形外科雜志，2013，21（11）：1114-1120.

［14］張玉峰，朱以文.有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成的典型方法與研究前瞻［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，38（2）：54-55.

［15］古成中，吳新躍.有限元網(wǎng)格劃分及發(fā)展趨勢(shì)［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索，2008，2（3）：249-250.

Establishment of a 3D finite element model of human hip joint based on CT data

ZHANG Hai-feng1，SONG Cui-rong1，PANG Yin1，ZHAO Wen-tao1，WU Yue1，ZHAO Chang-yi2，REN Guo-shan2（1.Cangzhou Medical College，Cangzhou Hebei 061001，China；2.Hebei Medical University，Shijiazhuang 050061，China）

Objective：To establish a 3D finite element model of human hiP joint and verify its validity，to be used for subsequent biomechanical analysis.Method：The hiP joint in one healthy adult male volunteer was scanned by CT.The 3D finite element model of the hiP joint was constructed with Mimics and Ansys software.The simulated weight Pressure of hiP uPright Position was aPPlied to this model，the stress distribution was comPared with the related literature.Result：The 3D finite element model of human hiP joint was established successfully，including 284 183 Points of 160 665 units.Under the action of simulated gravity，the stress distribution was in agreement with Previous exPerimental results.Conclusion：The established 3D finite element model had good simulation and could be used in the clinical biomechanics analysis.

HiP joint；TomograPhy，sPiral comPuted

R322.72；R814.42

A

1008-1062（2015）09-0667-04

2015-02-05；

2015-02-13

張海峰（1981-），男，河北滄州人，講師。

任國(guó)山，河北醫(yī)科大學(xué)解剖教研室，050061。