人體下肢骨骼CT數據的重建與步態仿真

鄭 敏，蔡怡瑤，張美琴

（蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

人體下肢在生活中是極其重要的，當下肢骨骼受到損傷時，及時有效的治療與修復非常重要，受損骨骼經手術治療無法愈合的時候，需要考慮改變手術方案，如制備替代骨骼。替代骨骼的重建是近年修復受損骨骼的重要研究方法，因此采用逆向工程重建骨骼的模型。逆向工程是通過獲取已有的模型或產品的三維數據，再將三維數據經點云預處理、多邊形處理、曲面處理重建成新的模型過程，也可在新建立的模型的基礎上進行創新設計與生產加工Mahaisavariya B等[1]提出一種計算機斷層攝影的方法，CT圖像與逆向工程技術相結合的方法，利用40個放射狀骨的CT圖像重建三維模型，采用基于逆向工程方法的二維和三維建模算法進行逼近，該方法可以應用于個體患者，通過使用正常側半徑的三維CT數據，創建一個定制的假肢使用CAD-CAM 程序替換受傷的一側。文獻[2]對醫學CT圖像建立了人體髖部的三維模型，經軟件模擬了修復手術，獲得了所需植入假體的宏觀模型。

文獻[3-4]將反求原理與快速制造結合起來設計并制造了人體骨骼的假體、方奧等[5]利用Mimics，Geomagic Studio和UG 三種軟件相結合，將CT數據作為原始數據，獲得到了較高精度的股骨、脛骨、腓骨和髕骨的實體模型。

文獻[6]利用CAD軟件以及逆向工程軟件建立了牙冠和下頜CAD模型，并成功制備了牙冠和下頜種植體，經測定，人工下頜和牙冠尺寸與天然牙冠相近。文獻[7]使用SolidWorks 建立人體模型，將模型導入到ADAMS 軟件進行仿真分析，得到了各質心的軌跡，為后續的仿人研究奠定了基礎。

文獻[8]在ADAMS中建立了人體模型，對不同路況下的人體下肢運動進行仿真實驗，以驗證模型準確性。實驗顯示，每種路況下的行走過程均平穩、正常，表明所建立的虛擬模型能夠準確地描述人體下肢的運動過程。

在三維軟件中建立與人體骨骼接近的模型，并進行仿真分析的研究較多，但以CT數據為初始數據進行反求建模并進行仿真分析的研究較少。

因此根據逆向工程技術原理，利用Mimics、Geomagic Studio、UG以及ADAMS對數據進行重建與仿真，為了在理論上求證所獲得骨骼模型的準確性，將在逆向工程的基礎上對骨骼模型進步態行仿真分析，以驗證模型的準確性，為今后的模型制造奠定基礎，提供必要的理論依據與數據支撐，具體技術路線，如圖1所示。

圖1 技術路線圖Fig.1 Technology Roadmap

2 人體下肢模型重建

采用醫院提供的病人下肢CT數據，一組受傷CT數據，一組正常CT 數據。掃描條件為：電壓l20kV，電流161m A，共925層圖像，每層圖像尺寸均為512×512，掃描厚度為1.25mm，以DICOM 格式保存，將DICOM 格式的CT 數據導入醫學軟件Mimics中（Mimics是Materialise′s interactive medical image control system的縮寫，是Materialise 公司發明的一種醫學影像控制系統，被看做CT影像數據與工程軟件之間的接口），如圖2所示，是將CT數據導入Mimics軟件中的初始狀態。在Mimics中經區域分割、區域增長等預處理，將下肢每個骨骼分離出來，以IGES格式導出。

圖2 橫斷面、冠狀面、矢狀面及三維視圖Fig.2 Transverse Section、Coronal Plane、Sagittal Plane and Three Ddimensional View

2.1 點云處理階段

經Mimics導出的模型是點云格式的，需要在逆向軟件Geomagic Studio（Geomagic Studio 是Geomagic 公司產品的一款逆向軟件，該軟件可將三維模式的掃描數據轉換成數字模型）中將點云格式進行處理。這一階段主要對上述的點云數據進行去除體外孤點、采樣、減噪、精簡等，處理結果如圖3（a）所示。

點云模型、多邊形模型、曲面模型Fig.3 Point Cloud Model Polygon Model Surface Model

2.2 多邊形處理階段

由于在采集點云數據的過程中存在數據缺失、環境噪音等因素導致轉換成的多邊形模型有釘狀物、孔洞等，因此需要在多邊形階段去除釘狀物、填充孔洞等，從而得到一個理想的多邊形數據模型，如圖3（b）所示。

2.3 曲面處理階段

曲面處理主要是精確曲面，首先將模型表面分成多個曲面片，再經格柵處理將每個曲面片處理成特定分辨率的網格，然后擬合成NURBS曲面，最后合并成精度較高的曲面模型，所獲得的曲面模型以IGES格式保存，如圖3（c）所示。

2.4 曲面縫合

上面得到的模型仍然是骨骼的曲面模型，不適宜的研究工作，因此利用UG的縫合功能將在Geomagic Studio得到的曲面模型縫合成實體模型。將有受損的股骨與正常股骨導入UG中，經布爾求和運算最終得到的結果，如圖4所示。

圖4 股骨實體模型Fig.4 Femoral Solid Model

實現了將受損股骨轉換成正常股骨，同理，將后續骨骼受損患者下肢其他骨骼從CT數據重建成實體模型，如圖5所示。得到的經重建與修復的下肢裝配體，如圖6所示。

圖5 胯骨、腓骨、脛骨、腳骨的實體模型Fig.5 Solid Models of Hipbone、Fibula、Tibia and Foot Bone

圖6 下肢實體模型Fig.6 Lower Limb Solid Model

3 建立下肢仿真模型

將實體模型導入到ADAMS 中，在ADAMS 中對各骨骼定義材料屬性，添加運動副，施加載荷等，分別在髖關節設置球副，踝關節設置球副，膝關節設置旋轉副，設置仿真時間為10s，從t=0s開始仿真，步長為50步，以模型合腳站立為初始狀態。

該模型中建立了一個地面模型，支撐下肢行走。在地面與大地間設置固定副，分別在髖關節設置球副，膝關節，踝關節設置球副，在胯與地面之間設置方位角，為了方便在腳底與地面設置接觸與摩擦參數等，所以在左右腳腳底添加了矩形方塊作為腳掌，便于仿真分析，并在左右腳掌與地面之間設置接觸，添加了約束后的模型，如圖7所示。為使仿真模型接近人體行走規律，經多次優化改進的接觸參數，如表1所示。

圖7 加入約束的仿真模型Fig.7 Lower Limb Solid Model

表1 接觸參數表Tab.1 Contact Parameters Table

4 動力學分析

4.1 基于拉格朗日方程的動力學分析

人行走時的步態運動，分三種行走模式：雙腳支撐、一只腳支撐另一只剛剛碰地、單腳支撐。這三種模式下的關節受力變化不一樣[9]，以下以一只腳虛接地支撐模式為例進行介紹，簡化模型，如圖8所示。

圖8 一只腳虛接地的雙腿支撐模式模型Fig.8 The Double-feet Support with One Redundancy

其中，ai—各骨骼質心到骨骼端點的距離；αi—各骨骼之間的夾角；li—各骨骼長度；i=0…5。令x軸位于水平地面上，z軸過其中一條腿踝關節，建立廣義坐標系XOZ；各骨骼質心坐標為Gi(xi,yi)為：

式中：xi—各骨骼質心在x軸的位移；yi—各骨骼質心在y軸的位移。

4.2 拉格朗日動力學方程

在拉格朗日方程法中，定義拉格朗日函數為系統的動能EK和位能EP之差，即：

根據函數L寫出的拉格朗日方程為：

式中：n—系統的坐標數；qj—廣義坐標；—廣義速度；Qj—作用在第j個廣義坐標上的廣義力或廣義力矩。

在每種動力學模型下，總動能可表示為：

式中：mi—各骨骼的等效質量；vi—各骨骼質心在廣義坐標下的運

將（4）和（3）代入式（1）得：

則根據式（2），對于每種動力學模型，相對于第i個廣義坐標的動力學方程：

最終可得該下肢模型在每種動力學模型下體動力學方程為：

式中：Q0和Q5—虛接地腳踝關節和全接地腳踝關節驅動力矩；Q1和Q4—虛接地腳膝關節和全接地腳膝關節驅動力矩；Q2和Q3—虛接地腳髖關節和全接地腳髖關節驅動力矩。

將人體步態行走的真實關節角度變化規律，如圖9所示。代入上述的動力學方程中，經MATLAB 仿真得到正常人行走的膝關節變化規律的理論數值曲線。

圖9 真實關節角度變化曲線Fig.9 Real Joint Angle Curve

5 基于ADAMS步態仿真分析

5.1 關節角度規劃控制函數設計

在ADAMS中最常用的驅動函數為STEP函數[10]。下肢骨骼在STEP函數的驅動下，在髖關節實現屈和伸、內旋和外旋、內收和外展動作，膝關節實現屈伸和旋轉，踝關節實現背屈和跖屈、內旋和外旋、內翻外翻動作。將人體行走時各關節角度變化的真實數據數據作為參考，設置STEP函數。仿真效果，如圖10所示。

圖10 步態仿真圖Fig.10 Gait Simulation Diagram

5.2 仿真分析

將前文計算出來的人體行走的膝關節扭矩的數據導入MATLAB計算得到理論數據的曲線變化，將理論曲線與仿真曲線共同導入到Origin軟件中得到理論曲線與仿真曲線的對比圖，如圖11（a）、圖11（b）中虛線為左右膝關節的理論值，實線為仿真值；在（0～0.1）s是仿真值。右腿抬起的過程，還沒開始跨步，所以兩腿扭矩還沒穩定，規律性不明顯；（0.1～2.5）s為第一步，右腿開始邁步，兩腿關節開始呈現規律；右腿各關節逐漸增大，右腿各關節扭矩較??；（2.5～6.5）s左腿邁出第二步，依次循環，仿真結果基本符合真實人體行走時兩腿的變化規律，骨骼模型具有可信度。

圖11 右、左膝關節力矩及髖關節軌跡Fig.11 Torque of Left、Right Knee&Hip Trajectory

6 結論

通過Mimics、Geomagic Studio、UG對人體下肢的骨骼進行了重建，然后導入到ADAMS中經設置參數變量，得出了仿真分析步態規律，實現受損骨骼的重建與修復，驗證了模型的準確性。

由于人體骨骼的結構復雜性，因此對下肢骨骼的分析研究以動力學分析為主，故對于人步態的研究主要從動力學的角度著手，通過建立下肢在行走狀態下的拉格朗日動力學方程進行分析，采用ADAMS軟件對下肢骨骼在行走狀態下進行仿真分析，得出行走時所需各關節動力學參量的變化規律，仿真結果基本符合真實人體行走時雙腿的行走規律，對于今后人工骨的重建制備研究工作具有一定的參考價值。