人体脊柱T12-L1节段三维重建及有限元分析
人体脊柱T12-L1节段三维重建及有限元分析
利用Mimics软件对原始薄层CT图像进行处理，主要通过阈值分割、区域增长、蒙版剪裁、编辑等功能做出T12-L1节段的三维轮廓，然后再通过Mimics软件中得Remesh功能对模型进行光滑处理，最后以STL格式导入Geomagic 软件中，采用曲面功能构建脊柱T12-L1节段的实体模型,以igs格式导出；通过UG完成椎体及腰间盘实体模型的三维重建和装配，然后再通过UG对模型进行有限元分析，完成在生理载荷下脊柱T12-L1节段的分析。
关键词 脊柱，三维重建，有限元分析
1 引言1
1.1 三维重建和有限元模型技术的发展 1
1.2 有限元的优缺点 2
1.3 本文的主要研究内容 3
2 脊柱胸腰段T12-L1节段模型三维重建3
2.1 椎体骨骼的三维重建4
2.2 腰间盘的三维重建 15
3 有限元分析19
3. 1 UG预处理24
3. 2 边界条件 24
3. 3 求解运行 25
3. 4 结果 26
结论 27
致谢 28
参考文献29
1 引言
当今，随着人们工作和生活方式的改变，由于对脊柱健康的忽视而导致身体的疾病已成为普遍现象，并且日益向年轻化发展。据资料统计，目前全球约有63%的人口患有脊柱疾病，每年因脊柱疾病所造成的医疗费用开支超过一千两百多亿美元。
脊柱是人体传导重力的重要结构，本次课题研究的是胸椎T12和腰椎L1节段，是脊柱和腰椎的连接处，既承载了胸椎的负荷也受到腰椎的压力。此处受到的力不仅仅是单方向的，大致可分解为牵拉、弯曲、压缩、扭转等,极易受到损伤，更易导致许多常见的脊椎病。
因此研究人体脊柱成为当务之急，很多研究人员对腰椎进行研究分析，较常见的方法有动物模型、物理模型和尸体模型，每种都存在自身的一定局限性。动物不是直立行走，其腰椎结构功能于人类不同，因此结果不能完全解答人类脊柱的特有问题；物理模型缺乏几何和材料特性的生物逼真度；尸体模型缺乏生物力学的变化，可重复性低，且大多数模型未进行患者个体化，不能有针对性的提出治疗方案。外科手术也可以用这些模型来评价，但其缺乏生物力学的变化，并且实验费用高，取材困难，可重复性较低等使其应用受到限制。这就需要能全面、准确和真实反应正常和退变腰椎的内在应力变化的有限元法来代替常用的研究方法。有限元模型则提供了一个较为理想的方法，它可以在持续性研究中重复及改变任何质量和定量变化，同时也提供了局部及内部的反应，这些反应是以上任何实验所得不到的结果。所以对临床研究来讲，有限元模型解决了体外研究所未能解决的问题。
1．1 三维重建和有限元模型技术的发展
三维建模在医学上的应用是近10年刚刚发展起来的，借助计算机对生物组织结构的影像分析，获得三维图像，且能对其进行定量的测量的一项形态学研究的新方法。传统医学影像获得的是二维图像，临床医学上想通过观察等手段建立三维立体图像还是存在很大的难度的，所以三维建模大大推动了医学技术的发展。
腰椎是人体脊柱的重要组成部分，其解剖结构复杂。在目前研究生物力学的方法中，物理实验、动物实验和体外实验都无法达到预期效果，三维有限元方法作为一种新技术，有优于其它实验之处，可在持续性研究中重复及改变任何定量与质量变化，同时提供了内部及局部的反应机制，从而被越来越广泛应用。
1.1.1 正常腰椎及骨质疏松腰椎的研究
李伟选择一名成年健康男性作为研究对象，通过CT扫描，得到CT数据，来对正常腰椎主要结构及骨质疏松腰椎进行三维重建，并对正常腰椎模型及骨质疏松腰椎模型进行准稳态有限元受力分析。他通过方法来揭示腰椎解剖结构特点，分析正常腰椎及骨质疏松腰椎的生物力学特性，为解释腰椎损伤机制提供有限元模拟生物力学方面的理论依据，并希望其对临床诊断、治疗提供一定的帮助。
吴胜勇等利用骨质疏松老年妇女L1椎体CT扫描建立三维有限元模型，对其进行应力分析，研究表明皮质骨应力水平较高，但各个部位有不均匀性。小梁骨应力水平较骨皮质低，椎体中部略偏后方和上下终板附近应力水平较高。然后比较骨质疏松性椎体骨折和无椎体骨折老年妇女腰椎骨强度变化情况，表明骨质疏松性椎体骨折，老年妇女椎体中部前缘以及同水平左、右侧部应变值相对于无骨折妇女有增高的趋势。
1.1.2 三维重建及快速成型的发展
2010年，张伟利用三维重建及快速成型技术对骨创伤及矫正肢体畸形进行了研究。首先，他在手术之前，先对患者进行螺旋CT断层扫描，获得骨的细间距断面图像，然后将CT数据输入Mimics软件，进行三维重建，得到骨的三维重建图像。最后利用计算机辅助逐层堆积快速成型技术，在快速成型机上以光敏树脂材料构建与实际骨折或畸形实体模型，对其进行临床诊断，制定设计手术方案，同时进行术前手术操练。其优点在于制定出更加合理的手术方案，从而缩短了手术时手术时间，减少了术中出血，更好地治疗骨折或畸形。
汪爱媛等利用显微CT的成像技术及材料力学测试，观察多孔双相磷酸钙陶瓷支架的三维结构和力学仿生性能特征。她利用三维凝胶叠层成型技术和发泡法复合的方法，制备仿骨多孔双相磷酸钙陶瓷支架。此支架具有很好的仿生性，利于细胞的黏附和长入，同时具有明显的方向性，提高了其在排列方向上的强度，且其弹性模量接近股骨头松质骨，具有较好的应力顺应性。
两人都是将CT图像导入Mimics软件中，对其进行三维建模，张伟是做出模型，为了去设计更加合理的手术方案，避免了多次手术对患者带来的身体和心灵上的摧残，大大缩减手术时间，更好地治疗病患；而汪爱媛则是做出与人体顺应性好的，即能在人体内产生相应功能的股骨头松质骨，都大大展示了三维重建的优点。
1.2 有限元的优缺点
有限元分析法是一种数学分析法，用来解决生物力学问题。伴随着科技的发展，计算机技术的日益成熟，有限元在生物力学上的应用也日益扩大，许多的研究表明了它的优越性。例如将有限元模型应用于骨科生物领域和做椎间盘的有限元模型等，同时也不仅仅用于骨科的重建，关节力学性能及其应力的分析，而且也用在了研究和优化人工关节等方面。
与其他的方法相比，有限元分析具有其独一无二的优越性，例如：（1）它可以和计算机完美的结合在一起，将复杂的计算或者操作变为现实。（2）它可以用任意形状的网格来分割任意区域，并且还能保证其与其它的结构有良好的适应或者装配。
有限元法也是有其局限性的，例如在腰椎生物力学上，仍然存在很多的弊端。因为离体实验很难获得可靠的测定数据，各组织的不定性变化等，与实际的生理存在一定的差异。
1.3 本文的主要研究内容
利用Mimics软件对原始薄层CT图像进行处理，主要通过阈值分割、区域增长、蒙版剪裁、编辑等功能做出T12-L1节段的三维轮廓，然后再通过Mimics软件中的Remesh功能对模型进行光滑处理，最后以STL格式导入Geomagic 软件中，采用曲面功能构建脊柱T12-L1节段的实体模型,以igs格式导出；通过UG完成椎体及腰间盘实体模型的三维重建和装配，然后再通过UG对模型进行有限元分析，完成在生理载荷下脊柱T12-L1节段的前屈、后伸、侧弯、扭转的分析。
2 脊柱胸腰段T12-L1节段的三维重建
Mimics软件开发初期的目的是将断层扫描图片用于快速原型制造。在随后的开发过程中，不断拓展新的应用领域，包含基于医学影像的医学三维建模、计算机辅助设计、有限元分析、流体力学分析、虚拟手术规划、快速原型制造、人体解剖学测量分析、组织工程支架空隙分析等计算机辅助医学的各个领域。
此次毕业设计主要利用Mimics软件重建人体胸腰段T12-L1节段，其数据主要来源是医学影像资料库，CT图像400张，厚度0.45mm，椎体模型三维重建的关键环节主要包含以下几个方面，其大致流程如图2-1。
利用Mimics软件对原始薄层CT图像进行处理，主要通过阈值分割、区域增长、蒙版剪裁、编辑等功能做出T12-L1节段的三维轮廓，然后再通过Mimics软件中得Remesh功能对模型进行光滑处理，最后以STL格式导入Geomagic 软件中，采用曲面功能构建脊柱T12-L1节段的实体模型,以igs格式导出；通过UG完成椎体及腰间盘实体模型的三维重建和装配，然后再通过UG对模型进行有限元分析，完成在生理载荷下脊柱T12-L1节段的分析。
关键词 脊柱，三维重建，有限元分析
1 引言1
1.1 三维重建和有限元模型技术的发展 1
1.2 有限元的优缺点 2
1.3 本文的主要研究内容 3
2 脊柱胸腰段T12-L1节段模型三维重建3
2.1 椎体骨骼的三维重建4
2.2 腰间盘的三维重建 15
3 有限元分析19
3. 1 UG预处理24
3. 2 边界条件 24
3. 3 求解运行 25
3. 4 结果 26
结论 27
致谢 28
参考文献29
1 引言
当今，随着人们工作和生活方式的改变，由于对脊柱健康的忽视而导致身体的疾病已成为普遍现象，并且日益向年轻化发展。据资料统计，目前全球约有63%的人口患有脊柱疾病，每年因脊柱疾病所造成的医疗费用开支超过一千两百多亿美元。
脊柱是人体传导重力的重要结构，本次课题研究的是胸椎T12和腰椎L1节段，是脊柱和腰椎的连接处，既承载了胸椎的负荷也受到腰椎的压力。此处受到的力不仅仅是单方向的，大致可分解为牵拉、弯曲、压缩、扭转等,极易受到损伤，更易导致许多常见的脊椎病。
因此研究人体脊柱成为当务之急，很多研究人员对腰椎进行研究分析，较常见的方法有动物模型、物理模型和尸体模型，每种都存在自身的一定局限性。动物不是直立行走，其腰椎结构功能于人类不同，因此结果不能完全解答人类脊柱的特有问题；物理模型缺乏几何和材料特性的生物逼真度；尸体模型缺乏生物力学的变化，可重复性低，且大多数模型未进行患者个体化，不能有针对性的提出治疗方案。外科手术也可以用这些模型来评价，但其缺乏生物力学的变化，并且实验费用高，取材困难，可重复性较低等使其应用受到限制。这就需要能全面、准确和真实反应正常和退变腰椎的内在应力变化的有限元法来代替常用的研究方法。有限元模型则提供了一个较为理想的方法，它可以在持续性研究中重复及改变任何质量和定量变化，同时也提供了局部及内部的反应，这些反应是以上任何实验所得不到的结果。所以对临床研究来讲，有限元模型解决了体外研究所未能解决的问题。
1．1 三维重建和有限元模型技术的发展
三维建模在医学上的应用是近10年刚刚发展起来的，借助计算机对生物组织结构的影像分析，获得三维图像，且能对其进行定量的测量的一项形态学研究的新方法。传统医学影像获得的是二维图像，临床医学上想通过观察等手段建立三维立体图像还是存在很大的难度的，所以三维建模大大推动了医学技术的发展。
腰椎是人体脊柱的重要组成部分，其解剖结构复杂。在目前研究生物力学的方法中，物理实验、动物实验和体外实验都无法达到预期效果，三维有限元方法作为一种新技术，有优于其它实验之处，可在持续性研究中重复及改变任何定量与质量变化，同时提供了内部及局部的反应机制，从而被越来越广泛应用。
1.1.1 正常腰椎及骨质疏松腰椎的研究
李伟选择一名成年健康男性作为研究对象，通过CT扫描，得到CT数据，来对正常腰椎主要结构及骨质疏松腰椎进行三维重建，并对正常腰椎模型及骨质疏松腰椎模型进行准稳态有限元受力分析。他通过方法来揭示腰椎解剖结构特点，分析正常腰椎及骨质疏松腰椎的生物力学特性，为解释腰椎损伤机制提供有限元模拟生物力学方面的理论依据，并希望其对临床诊断、治疗提供一定的帮助。
吴胜勇等利用骨质疏松老年妇女L1椎体CT扫描建立三维有限元模型，对其进行应力分析，研究表明皮质骨应力水平较高，但各个部位有不均匀性。小梁骨应力水平较骨皮质低，椎体中部略偏后方和上下终板附近应力水平较高。然后比较骨质疏松性椎体骨折和无椎体骨折老年妇女腰椎骨强度变化情况，表明骨质疏松性椎体骨折，老年妇女椎体中部前缘以及同水平左、右侧部应变值相对于无骨折妇女有增高的趋势。
1.1.2 三维重建及快速成型的发展
2010年，张伟利用三维重建及快速成型技术对骨创伤及矫正肢体畸形进行了研究。首先，他在手术之前，先对患者进行螺旋CT断层扫描，获得骨的细间距断面图像，然后将CT数据输入Mimics软件，进行三维重建，得到骨的三维重建图像。最后利用计算机辅助逐层堆积快速成型技术，在快速成型机上以光敏树脂材料构建与实际骨折或畸形实体模型，对其进行临床诊断，制定设计手术方案，同时进行术前手术操练。其优点在于制定出更加合理的手术方案，从而缩短了手术时手术时间，减少了术中出血，更好地治疗骨折或畸形。
汪爱媛等利用显微CT的成像技术及材料力学测试，观察多孔双相磷酸钙陶瓷支架的三维结构和力学仿生性能特征。她利用三维凝胶叠层成型技术和发泡法复合的方法，制备仿骨多孔双相磷酸钙陶瓷支架。此支架具有很好的仿生性，利于细胞的黏附和长入，同时具有明显的方向性，提高了其在排列方向上的强度，且其弹性模量接近股骨头松质骨，具有较好的应力顺应性。
两人都是将CT图像导入Mimics软件中，对其进行三维建模，张伟是做出模型，为了去设计更加合理的手术方案，避免了多次手术对患者带来的身体和心灵上的摧残，大大缩减手术时间，更好地治疗病患；而汪爱媛则是做出与人体顺应性好的，即能在人体内产生相应功能的股骨头松质骨，都大大展示了三维重建的优点。
1.2 有限元的优缺点
有限元分析法是一种数学分析法，用来解决生物力学问题。伴随着科技的发展，计算机技术的日益成熟，有限元在生物力学上的应用也日益扩大，许多的研究表明了它的优越性。例如将有限元模型应用于骨科生物领域和做椎间盘的有限元模型等，同时也不仅仅用于骨科的重建，关节力学性能及其应力的分析，而且也用在了研究和优化人工关节等方面。
与其他的方法相比，有限元分析具有其独一无二的优越性，例如：（1）它可以和计算机完美的结合在一起，将复杂的计算或者操作变为现实。（2）它可以用任意形状的网格来分割任意区域，并且还能保证其与其它的结构有良好的适应或者装配。
有限元法也是有其局限性的，例如在腰椎生物力学上，仍然存在很多的弊端。因为离体实验很难获得可靠的测定数据，各组织的不定性变化等，与实际的生理存在一定的差异。
1.3 本文的主要研究内容
利用Mimics软件对原始薄层CT图像进行处理，主要通过阈值分割、区域增长、蒙版剪裁、编辑等功能做出T12-L1节段的三维轮廓，然后再通过Mimics软件中的Remesh功能对模型进行光滑处理，最后以STL格式导入Geomagic 软件中，采用曲面功能构建脊柱T12-L1节段的实体模型,以igs格式导出；通过UG完成椎体及腰间盘实体模型的三维重建和装配，然后再通过UG对模型进行有限元分析，完成在生理载荷下脊柱T12-L1节段的前屈、后伸、侧弯、扭转的分析。
2 脊柱胸腰段T12-L1节段的三维重建
Mimics软件开发初期的目的是将断层扫描图片用于快速原型制造。在随后的开发过程中，不断拓展新的应用领域，包含基于医学影像的医学三维建模、计算机辅助设计、有限元分析、流体力学分析、虚拟手术规划、快速原型制造、人体解剖学测量分析、组织工程支架空隙分析等计算机辅助医学的各个领域。
此次毕业设计主要利用Mimics软件重建人体胸腰段T12-L1节段，其数据主要来源是医学影像资料库，CT图像400张，厚度0.45mm，椎体模型三维重建的关键环节主要包含以下几个方面，其大致流程如图2-1。
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