基于逆向工程人體股骨建模及有限元分析*

趙海芳 ， 徐青青

（宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

0 前言

課題組著重于利用計(jì)算機(jī)反向工程軟件來(lái)輔助臨床醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，探討如何在較低的畸變條件下，對(duì)CT圖像進(jìn)行快速、高效的處理，建立三維模型，修復(fù)骨折模型，優(yōu)化曲面，最終制作實(shí)體模型，并對(duì)三維模型進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，從而指導(dǎo)仿生骨骼在臨床試驗(yàn)中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)CT影像的分析與研究，采用DICOM格式存儲(chǔ)的方法，通過(guò)Mimics軟件對(duì)其進(jìn)行處理和計(jì)算，并將其儲(chǔ)存為STL格式的文檔，通過(guò)Geomagic軟件對(duì)其表面進(jìn)行優(yōu)化[1]。由此得到骨頭表面模型的全部詳細(xì)路徑，具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 具體技術(shù)路線圖

1）Mimics建模：將股骨關(guān)節(jié)CT掃描圖像，以DICOM文件格式導(dǎo)入到Mimics軟件中，通過(guò)調(diào)整閾值將骨骼與其他組織（肌肉、脂肪等）區(qū)分出來(lái)，提取骨骼輪廓。再利用軟件中的3D計(jì)算生成功能建立初始的骨關(guān)節(jié)三維模型，最后保存成STL格式的文件輸出[2]。

2）Geomagic Wrap和Geomagic Design模型修復(fù)及曲面優(yōu)化：通過(guò)多邊形處理（如填補(bǔ)孔洞等）和曲面優(yōu)化處理，將骨關(guān)節(jié)三維模型修復(fù)成一個(gè)整體，方便后續(xù)的曲面優(yōu)化處理，再對(duì)其進(jìn)行三角面處理和曲面優(yōu)化處理，生成較為光滑的骨骼模型，最后將模型繼續(xù)保存為STL格式文件來(lái)進(jìn)行3D打印。

3）將通過(guò)逆向建模技術(shù)建立股骨的三維模型，導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行前處理，施加邊界條件，最后對(duì)股骨三維模型的應(yīng)力結(jié)果和應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行測(cè)算[3]。以此證明本實(shí)驗(yàn)建立的有限元模型是準(zhǔn)確可靠的，并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算。

1 股骨掃描數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)收集方面，首先獲取患者的CT圖像，并將其保存為DICOM格式。DICOM軟件是目前世界上最尖端的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)之一，在放射醫(yī)學(xué)、放射診斷、CT/MRI、心血管成像等方面都有廣泛的應(yīng)用。所有患者的治療結(jié)果都以DICOM的形式存在，其中包含患者的姓名、年齡、性別和測(cè)試所用的設(shè)備等。該系統(tǒng)采用了統(tǒng)一的DICOM格式，方便了醫(yī)師和科研人員使用相應(yīng)的軟件進(jìn)行分析和發(fā)現(xiàn)。本文選擇上述格式的足部骨折CT掃描數(shù)據(jù)，其層厚和層間可通過(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)，但由于不同的儀器，其分辨率可能存在差異，掃描的圖片數(shù)目取決于患者的具體情況。該案例是從醫(yī)院獲取的CT圖像，厚度0.5 mm，共245張，用DICOM格式保存，并在Mimics 20.0中進(jìn)行編輯[4]。具體的股骨CT圖如圖2所示。

圖2 股骨CT圖

2 圖像處理

使用Mimics 20.0打開(kāi)文件，灰度可以反映出組織和器官的吸收情況，CT圖像中的黑色陰影代表著低密度區(qū)，而白影代表了諸如骨頭之類的高吸收區(qū)。CT圖像的分辨率很高，不同的組織，密度也是不同的，雖然在軟組織密度上沒(méi)有太大的差別，但也有影像的反差。通過(guò)軟件設(shè)置門限和窗口寬度，最后可以得到一個(gè)蒙板，在一定的閾值范圍內(nèi)，將帶有色彩的像素點(diǎn)放入蒙板中。

不同的人體組織具有不同的密度，其對(duì)應(yīng)的灰度值也是不同的，因此利用該特點(diǎn)可以將不同的人體組織進(jìn)行分類和提取。在Mimics 20.0中，通常將灰度值方法用于骨頭的圖像分割，通過(guò)設(shè)置一定的灰度值來(lái)進(jìn)行圖像的分割，并利用該軟件從對(duì)應(yīng)的CT圖像中提取出與之相符的組織信息。這些材料的具體灰度顯示如表1所示[5]。

表1 物質(zhì)灰度值表

因?yàn)樵肼朁c(diǎn)和圖像質(zhì)量的問(wèn)題容易造成缺陷和空洞，因此要去除噪聲并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分割，以避免這些問(wèn)題對(duì)以后的影響。對(duì)蒙板進(jìn)行編輯的方法有：繪畫、擦除、孔洞填充、局部閾值分割、動(dòng)態(tài)區(qū)域增長(zhǎng)和布爾操作。采用繪制、擦除等方法，對(duì)CT影像進(jìn)行掃描，繪制出骨塊，并將其填充，刪除不想要的部分，完成對(duì)蒙版的編輯。

利用Mimics 20.0的calculate3D工具，對(duì)蒙版中的像素點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算，可以直觀地觀察到立體圖像，并能檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性。當(dāng)出現(xiàn)不規(guī)則的影像時(shí)，再進(jìn)行蒙板的編輯，直至達(dá)到與真實(shí)的股骨形態(tài)相符的狀態(tài)，再用光滑的處理工具對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，從而得到STL格式的檔案，為之后的工藝優(yōu)化提供了依據(jù)[6]。

3 模型處理

通過(guò)Mimics 20.0的3D模型處理工具獲得了股骨的3D模型，本文旨在引導(dǎo)外科醫(yī)生并提供個(gè)體化的仿生骨。但經(jīng)過(guò)Mimics 20.0處理后的3D模型仍然有很多缺陷，例如不規(guī)則三角面、釘子、孔洞等。而Geomagic Wrap是一款具有很好的曲面優(yōu)化能力的軟件，可以處理點(diǎn)和曲線、精確曲面、參數(shù)曲面、采集、多邊形處理等問(wèn)題，并且可以對(duì)各種形狀的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)將模型表面修整為一個(gè)整體，然后對(duì)其進(jìn)行加工，以達(dá)到平滑的效果，從而更好地引導(dǎo)臨床試驗(yàn)[7]。

將3D模型以STL的形式從Mimics 20.0的單元長(zhǎng)度中的STL形式輸入到Geomagic Studio 2013軟件中，由于骨頭的表面是不平滑的，并且整體的模型被分割成了很多碎屑。為此，必須先對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)，然后通過(guò)網(wǎng)格醫(yī)生、填充孔、松弛平滑、去除特征、調(diào)整邊界、修補(bǔ)等操作來(lái)實(shí)現(xiàn)表面的最優(yōu)化。特定的模型處理流程圖如圖3所示，經(jīng)加工的股骨模型圖如圖4所示。

圖3 模型處理流程圖

圖4 修補(bǔ)好的骨骼模型

1）修復(fù)：第一，在這個(gè)時(shí)候，模型的曲面更加平滑，空穴已經(jīng)被填滿，可以通過(guò)軟件中的簡(jiǎn)單指令來(lái)減少曲面上的三角數(shù)量。采用封閉流形的方法，則會(huì)將其包裝為固體，而封閉的流形是由3D印刷中存在的一些結(jié)構(gòu)問(wèn)題而造成的。第二，在沒(méi)有合適的骨松替代物之前，人體的機(jī)械強(qiáng)度要比其他材料大得多。在不損害外形的前提下，對(duì)于某些微小的組織和骨頭，可以采用剪切指令的方式進(jìn)行修補(bǔ)，包括利用平面、曲線、薄片等進(jìn)行切割。

2）平滑：在多次修復(fù)和常規(guī)修復(fù)之后，該方法得到了很好的優(yōu)化，僅在細(xì)節(jié)部分做了最終平滑。包括松弛、砂紙、快速平滑等指令。放松指令可以將單個(gè)的多邊形角最小化，從而使多邊形的網(wǎng)格變得光滑，并對(duì)微小部分進(jìn)行拋光直到兩個(gè)動(dòng)作都放松，對(duì)于更光滑的多邊形網(wǎng)和均勻的三角形網(wǎng)可以使用更快的光順?lè)ê湍芰糠ā?/p>

4 逆向處理

通過(guò)對(duì)該模型進(jìn)行修補(bǔ)，得到了更加平滑的外形，其組織構(gòu)造與真正的骨架非常接近。再通過(guò)Geomagic程序?qū)TL模式轉(zhuǎn)換為三維模型，并進(jìn)一步進(jìn)行精確的表面處理，可以得到更好的NURBS表面。精確表面的最優(yōu)運(yùn)算過(guò)程如下：

1）檢測(cè)曲線或檢測(cè)輪廓線：這一步的指示就是檢測(cè)曲線或檢測(cè)輪廓線，輪廓線是確定彎曲表面和產(chǎn)生NURBS表面的必要條件，而控制命令可以設(shè)置輪廓線的最短距離。將等高程曲線調(diào)到接近于實(shí)際的位置，再利用軟件進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，利用人工增加的等高線，使得曲線更加接近于曲線。

2）構(gòu)造曲面片材：在構(gòu)造曲面片材時(shí)，必須根據(jù)具體的條件構(gòu)造出一塊曲面，若表面太大會(huì)導(dǎo)致模型細(xì)節(jié)變形，若表面太小則無(wú)法確保其連續(xù)性。

3）結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：網(wǎng)格是基于弧形網(wǎng)格的，其基本原理與弧形網(wǎng)格相似，可以將網(wǎng)格分割得更好，數(shù)量也更多，更利于NURBS曲線的擬合[8]。

4）將表面進(jìn)行合成。通過(guò)以上的處理，獲得NURBS表面的模型[9]。并將其作為一個(gè)物理模型，通過(guò)精確的表面積的最優(yōu)化，得到了一個(gè)實(shí)體的形狀，并以STL、STP、IGES的格式顯示出來(lái)，具體模型圖如圖5所示。

圖5 三維實(shí)體模型圖

5 有限元分析

將模型存儲(chǔ)成IGES格式導(dǎo)入Ansys軟件中，將網(wǎng)格自動(dòng)劃分，將模型按照正常站立位人體力線放置，使股骨模型與人體的中軸線成15°角，在股骨頭部加入700 N的載荷，等效應(yīng)力分布圖如圖6所 示[10]。

圖6 應(yīng)力分布圖

6 總結(jié)

本文將先進(jìn)制造技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相互結(jié)合，對(duì)人體骨骼重建及生物力學(xué)分析進(jìn)行了深入研究，利用逆向工程技術(shù)通過(guò)患者的CT醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)建立人體骨骼的三維模型。通過(guò)對(duì)股骨三維模型分別施加700 N的步態(tài)峰值載荷發(fā)現(xiàn)，股骨在受力時(shí)有兩個(gè)應(yīng)力集，一個(gè)是在小轉(zhuǎn)子上方股骨頸的部位，另一個(gè)是在股骨干的前1/3處，這兩處都是臨床易發(fā)生骨折的位置。當(dāng)載荷增加，骨應(yīng)力增加，由此可得，股骨生物力學(xué)特性是線性變化的。