股骨三维有限元模型的建模方法

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CT扫描资料间接法建立股骨上段三维有限元模型

CT扫描资料间接法建立股骨上段三维有限元模型李苏皖;卜海富;何仿;钱齐荣【期刊名称】《临床骨科杂志》【年(卷),期】2002(005)004【摘要】目的建立正常人体股骨上段三维有限元模型,作为今后该部位进一步有限元分析的基础.方法采用活体股骨上段为对象,应用CT扫描技术、图形数字化方法获取股骨上段三维坐标,输入有限元分析软件ANSYS 5.6,通过确定材料特性参数和网格化,建立完整的股骨上段三维有限元模型.结果建立的三维有限元模型几何形状与材料特性还原良好,网格大小可根据研究者的需要在一定范围内自行调整,可以满足有限元分析的需要.结论采用CT扫描资料建立三维有限元模型切实可靠;间接法建立三维有限元模型比直接法更加简便、高效,可以更精确地模拟复杂几何形态的实体.【总页数】3页(P241-243)【作者】李苏皖;卜海富;何仿;钱齐荣【作者单位】马钢集团控股有限公司医院骨科,安徽,马鞍山,243000;安徽医科大学第一附属医院骨科,安徽,合肥,230022;马钢集团控股有限公司医院骨科,安徽,马鞍山,243000;上海长征医院骨科,上海,200003【正文语种】中文【中图分类】R323.72【相关文献】1.CBCT扫描结合逆向工程软件建立邻(牙)嵌体洞型三维有限元模型研究 [J], 张珑;逯宜;杨柏松;解德刚2.螺旋CT扫描建立成人股骨头坏死三维有限元模型 [J], 薛文;王坤正;凌伟3.人股骨上段三维有限元模型的建立 [J], 成海平; 柳松杨; 王兴伟; 俞梦孙4.人股骨上段三维有限元模型的建立 [J], 成海平; 柳松杨; 王兴伟; 俞梦孙5.基于CT图像的人体股骨上段有限元模型的建立 [J], 宋红芳;张庆明;刘志成因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

股骨三维有限元快速建模及分析

ｒｃＶｓｎｓ，００，４４）７５７６ａａｃＡｅｔ２１２（：３－３．ｈ
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中国实用医刊２１年１０１２月第３８卷第２４期
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ｂｃｅ［］ＡｅｈＡａ，０３９（）２３２９．ｌｋｒＪ．ｎｓｎｇ２０，１：８－９ｏｔｌ６８［］陈洁，５王平，泰迪．ｏｐｅｈ钟Ｃｏｄｃ封堵支气管导管与双腔支气管导管单肺通气效果的比较［］中华麻醉学杂志，０８２Ｊ．２０，８
（０）９５９６１：４－４．
ｗｔｄｆｕｒｇｃｐ［］ＪｒａｏＡｅｈｓ，００２（）ｉｉｃｌｌｙｏｏｙＪ．ｏｎｎｓｅｉ２１，４２：ｈｆｔａｎｓｉｕｌｆｔａ

基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析

基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析随着医疗科技的发展，基于断层扫描技术的股骨精确建模越来越成为现实。

股骨是人体中最大、最强度的骨骼之一，承担着全身的负重和运动功能。

因此，了解股骨的结构和力学特性对于医疗、运动医学和工程学领域具有重要的意义。

本文介绍了基于CT的股骨精确建模和三维有限元分析的方法，探讨其应用于医学和工程学领域的前景。

1.股骨的精确建模基于CT技术的股骨精确建模依赖于断层图像重建和三维重建技术。

首先，我们需要获取患者或被试者的股骨CT图像数据。

然后，使用计算机软件对这些图像进行处理和分析。

通常，这个过程包括以下步骤：(1)进行股骨的三维重建使用三维重建算法将断层图像转换为三维形态的股骨。

(2)剖面重建根据需要，可以从三维重建图像中提取任意几何形状，如横截面、纵截面、曲线或点云。

(3)网格化使用三角剖分或四面体剖分算法将股骨的表面转化为网格，并进行相应的构建。

(4)模型修剪对模型进行修剪以去除无用部分和不必要的噪声。

这样，我们可以得到一个精细的股骨模型，用于进一步的分析和研究。

股骨是一个复杂的生物力学系统，包含多个结构和材料组分。

其受力分布和应变响应存有很大的不确定性。

因此，使用计算机模拟技术进行股骨三维有限元分析是一种可行的方法。

有限元分析基于数学模型和物理模型，将受力物体分割为若干个基本单元，并在每个基本单元内解析每一种物理场参数。

对于股骨的有限元建模，可以将股骨模型离散化为有限元单元，将骨组织和骨髓质建模为连续介质，将关节面和肌肉建模为刚体。

通过施加不同的受力边界条件，进行有限元分析，可以得到股骨在不同负荷下的应变分布和应力分布，进一步研究其力学特性。

3.应用前景基于CT的股骨精确建模和三维有限元分析技术已经在医学和工程学领域得到广泛应用。

在医疗方面，可以用于股骨损伤的诊断、治疗方案的制定、手术前的虚拟手术规划、假体设计和评估等方面。

在工程学方面，可以用于人体机器人、人体工程学设计、康复工程学、体育科学等领域的研究和开发。

骨科三维有限元模型的建立及其临床应用（一）

骨科三维有限元模型的建立及其临床应用（一）
有限元仿真（FEM）的基本概念
FEM以计算分析为目的，利用图形图像学方法建立虚拟的实验标本（包括与真实分析实体对应的空间几何结构、材料参数以及力学边界条件等），通过化整为零最后又统一的方法，计算分析模型结构的稳定性、强度、应变/应力、疲劳特性等力学指标，是常规标本实验的有效补充和深化。

三维重建的基本概念
三维重建是指对现实存在的三维物体重新建立适合计算机表示和处理的数学模型, 是计算机辅助几何设计(CAGD)、计算机图形学(CG)、计算机动画、计算机视觉、医学图像处理、科学计算和虚拟现实、数字媒体创作等领域的共性科学问题和核心技术。

计算机内生成物体三维表示的主要方法
一、使用几何建模软件通过人机交互生成人为控制下的物体三维几何模型.此方法实现技术已经十分成熟,现有若干软件支持:3DMAX、Maya、AutoCAD、UG等, 一般使用具有数学表达式的曲线曲面表示几何形状。

二、通过一定的手段获取真实物体的几何形状。

此种方法一般称为三维重建过程,三维重建是指利用二维投影恢复物体三维信息(形状等)的数学过程和计算机技术,包括数据获取、预处理、点云拼接和特征分析等步骤。

基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析

基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析股骨是人体最大的骨头之一，其长、粗、强度高是由其主要功能决定的，即支撑上肢和承受身体重量。

股骨髁部是股骨的主要特征之一，根据其不同的形态特征可以分为球形和椭圆形两种类型。

精确建模股骨髁部形态，可以帮助了解股骨的生理特征和运动机能，同时有助于开发适合不同人群的假体和手术治疗方案。

本研究基于CT扫描技术对股骨髁部进行精确建模，利用三维有限元分析技术评估了不同类型股骨髁部形态对其强度和承载能力的影响。

具体实施步骤如下：1. 采集股骨CT数据。

使用64层螺旋CT扫描仪，对100名健康成年人的股骨进行扫描，获取高于70 HU的图像数据，以1 mm间距重建三维模型。

2. 对股骨髁部进行3D建模。

采用Mimics v20软件对股骨髁部进行分割处理，提取其二维数据，并通过三维重建技术生成精确的三维模型。

同时基于实测数据统计了股骨髁部不同形态特征，包括髁径、髁高、前后径、横径等。

3. 对不同股骨髁部形态进行有限元分析。

将股骨模型输入ABAQUS软件，运用有限元模拟技术，构建有限元模型。

通过施加力学载荷，分析了不同类型股骨髁部的承载能力和应力分布情况。

模拟条件包括卧式支撑、坐式支撑和站立姿势等不同情况。

4. 分析数据并得出结论。

根据有限元分析结果，得出了不同形态股骨髁部的应力分布图和承载能力评价，发现球形髁部的股骨强度更高，具有更好的承载能力。

本研究的结果表明，基于CT技术的股骨髁部精确建模和三维有限元分析方法可以帮助分析人体骨骼的生理特征和运动机能，并为临床设计假体和手术治疗提供参考和依据。

同时，球形髁部的股骨骨强度更高，更适合作为假体设计和手术治疗的方案。

三维有限元模型

三维有限元模型一、引言三维有限元模型是一种数学计算方法，用于分析和解决复杂的结构问题。

它可以将实际结构转化为由许多小单元组成的离散化模型，并通过数学方程求解每个单元的应力、应变等物理量，最终得出整个结构的响应。

本文将介绍三维有限元模型的基本原理、建模方法和求解过程。

二、三维有限元模型基本原理1. 有限元法基本思想有限元法是一种数值计算方法，它将一个连续的物理问题转化为由许多小单元组成的离散化问题，在每个小单元上建立数学模型，并通过求解代数方程组来得到整个系统的响应。

在三维有限元模型中，通常采用四面体或六面体等简单形状的单元进行离散化。

2. 三维有限元模型建立过程（1）几何建模：根据实际结构进行几何建模，包括确定结构尺寸、形状等。

（2）网格划分：将几何模型划分为许多小单元，并确定每个单元节点坐标。

（3）材料参数：根据实际材料性质确定每个单元的杨氏模量、泊松比等物理参数。

（4）载荷边界条件：根据实际工况确定结构所受载荷和边界条件。

（5）约束边界条件：根据实际结构确定约束边界条件，如支座、铰链等。

（6）求解：将以上信息输入计算机中，通过数学方法求解每个单元的应力、应变等物理量，并得出整个结构的响应。

三、三维有限元模型建模方法1. 网格划分方法三维有限元模型的网格划分可以采用手动或自动方式进行。

手动划分需要经验丰富的工程师进行，通常用于简单结构；自动划分则是利用计算机软件进行，可以快速生成复杂结构的网格。

2. 材料模型在三维有限元模型中，通常采用线性弹性模型来描述材料行为。

这种模型假设材料是各向同性的，并且满足胡克定律。

如果需要考虑非线性效应，则需要采用非线性材料模型。

3. 载荷和边界条件在三维有限元模型中，载荷和边界条件是建模的重要组成部分。

载荷可以是静载荷、动载荷或温度载荷等，边界条件可以是支座、铰链等。

四、三维有限元模型求解过程1. 单元刚度矩阵单元刚度矩阵是计算每个单元应力和应变的关键。

它由每个单元的杨氏模量、泊松比和几何信息确定。

6岁儿童股骨有限元模型的建立及股骨颈损伤的仿真分析

０５翘曲度（ｒａｅ ≤３。长宽比（ｐｃ ≤８扭．，Ｗａｐｇ）０，Ａｓｅｔ），
曲度（ｋｗ）０，小内角（ｎＡｎｌ ≥３。，Ｓｅ ≤６。最Ｍｉｇｅ）０最大内角（ｘＡｎｌ ≤１０，３为经过ＨｐｒｓＭａｇｅ）５。图ｙｅＭｅｈ
备．几何模型的质量对于有限元模型的有效性是至
关重要的．ＭＩＳ处理后的几何模型比较粗糙，ＭＩＣ不
单元质量不但会影响后续仿真碰撞实验中计算的稳定、时间步长、计算时间、附加质量，而且更重要的是它会影响计算的精确性．由于ＴｒＧｒ处理后ｕｅｉｄ的模型不能完全符合要求，进行有限元仿真时，需要
６岁儿童股骨有限元模型的建立及股骨颈损伤的仿真分析
王翰林，李海岩，贺丽娟，崔世海
（天津科技大学机械工程学院，天津３０２）０２２
摘
要：基于６岁儿童解剖学结构，对其下肢的ＣＴ扫描数据进行三维几何重构，利用有限元的建模技术建立６岁并
儿童股骨的三维有限元模型．通过加载弯矩的仿真实验，模拟交通事故中儿童跌倒状态下的股骨受力情况以及所引起的股骨颈骨折．究结果表明：岁儿童在交通事故中跌倒瞬时产生较大的股骨与地面接触力，骨颈外侧应力最大，研６股
易出现骨折现象．仿真结果与以往实验结论相符合并与医学结论吻合，而验证了模型有效．从建立的６岁儿童股骨三维有限元模型可以为跌倒所引起的股骨颈骨折损伤生物力学响应提供理论依据．关键词：生物力学响应；有限元模型；股骨颈；损伤机理

股骨三维有限元快速建模及骨密度值求解的初步研究

郑锋，国栋，宣煌，张陈林海滨，吴献伟（田学院附属医院骨科，建莆田３１０）莆福５１０
摘要：目的运行Ａｎｙ命令流文件快速建立股骨三维有限元模型，ｓｓ完成股骨骨密度值的精确求解并进行验证。
方法对１侧完整的新鲜成人尸体股骨标本，用真实测量方法（实测量组）有限元分析方法（限元分析２采真与有组）量骨密度值。有限元分析组进行高速薄层Ｃ扫描、ｓ测ＴＭａｋ文件编辑、步三维重建、面光滑处理、出股初表输骨三维模型、行Ａｎｙ命令流文件１成网格划分，Ｍｉｃ对股骨三维模型赋予材料属性，成有限元建运ｓｓ完在ｍｉｓ中完模、析，行Ａｎｙ命令流文件２文件３读取体单元的数值及体积，Ｅｃｌ完成体单元的体积统计，相分运ｓｓ及，在ｘｅ中与应的密度值的乘积即为各材料属性的质量，Ｍｉｃ从ｍｉｓ中直接读取三维模型的体积，得骨密度值。真实测量组将求股骨标本以电子天平精确称重后计算真实骨密度值。２骨密度值的数据进行单因素方差分析。结果组快速完成了１２侧股骨标本有限元建模并完成简易的有限元分析；组骨密度值比较差异无统计学意义（２Ｐ一０４７。结论．４）

股骨有限元模型的建立及损伤生物力学验证

撞研究。
关键词：法医病理学：生物力学：限元分析：有体层摄影术，旋计算机；骨螺股中图分类号：Ｄ７５１Ｆ９．文献标志码：Ａｄｉ０３６／ｉｎ１０～６９０１４０ｏ：１．９．ｓ．４５１．１．．１９ｊｓ０２００
点应力平均为（．９ ± ．３）Ｐ，骨三点弯曲试验中应变一度曲线与Ｋｎｅｙ试验结果一致，骨３０７１７Ｍａ股２３５挠ｅｎｄ股侧面撞击有限元分析结果与法医学尸体解剖所见相符。结论本研究建立的模型适用于股骨生物力学碰
垂直载荷、行三点弯曲试验及股骨侧面撞击分析，进以验证模型的可行性。结果ＣＴ扫描共获得５１张扫２
描图片．所建立的股骨三维有限元模型，１９个节点，０４个四面体单元。垂直载荷下股骨颈各节目的探讨利用Ｍｉｉ软件将Ｃ医学影像数据转化为有效的股骨有限元模型的可行性，ｍｃｓＴ为股骨
骨折的生物力学研究提供模型基础。方法利用１６排螺旋ＣＴ扫描股骨，扫描结果以ＤＣＭ格式导入将ＩＯＭｉｉ软件中，成股骨三维模型，对模型网格划分、ｍｃｓ生并材料赋值。Ｌ — ＹＡ软件中分别施加１０Ｎ的在ＳＤＮ００

基于ct的股骨精确建模与三维有限元分析

2020年软件2020, V ol. 41, No. 1基金项目: 黑龙江省大学生创新创业训练计划项目(No.201910229025)作者简介: 冯雨欣(1999–)，女，17级医学影像学专业，本科学历，研究方向：医学影像学；王玥涵，女，17级医学影像学专业，本科学历，研究方向：医学影像学；曲佳欣(1998–)，女，16级医学影像学专业，本科学历，研究方向：医学影像学；董宁(1995–)，男，17级医学影像学专业，本科学历，研究方向：医学影像学；周成钰(1999–)，女，17级医学影像学专业，本科学历，研究方向：医学影像学；徐会敏(1999–)，女，17级医学影像学专业，本科学历，研究方向：医学影像学。

通讯联系人: 宋海南(1983–)，男，讲师，研究方向：生物力学。

基于CT 的股骨精确建模与三维有限元分析玥冯雨欣，王涵，曲佳欣，董宁，周成钰，徐会敏，宋海南*（牡丹江医学院医学影像学院，黑龙江牡丹江 157011）摘要: 基于CT 影像DICOM 格式数据，应用MIMICS 精确建模，应用3-matic 进行四面体网格划分，利用MIMICS 根据CT 灰度值进行材料属性赋予，通过计算机仿真软件ANSYS 实现力学分析，本文旨在探讨生物力学中有限元模型的构建途径，以对临床提供帮助。

关键词: CT ；股骨三维重建；有限元分析中图分类号: TP311.52 文献标识码: A DOI ：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.010本文著录格式：冯雨欣，王玥涵，曲佳欣，等. 基于CT 的股骨精确建模与三维有限元分析[J]. 软件，2020，41（01）：46 49Accurate Modeling and Three-dimensional Finite Element Analysis of Femur Based on CTFENG Yu-xin, WANG Yue-han, QU Jia-xin, DONG Ning, ZHOU Cheng-yu, XU Hui-min, SONG Hai-nan(Medical Image school of Mu Dan Jiang Medical University, Heilongjiang Mudanjiang, 157011, China )【Abstract 】: Based on the DICOM format data of CT images, MIMICS is used to model accurately, 3-matic is used to divide tetrahedral meshes, MIMICS is used to assign material attributes according to CT gray value, and ANSYS is used to realize mechanical analysis. The purpose of this paper is to explore the way to construct finite element model in biomechanics, so as to provide help for clinic.【Key words 】: CT; Three-dimensional reconstruction of femur; Finite element analysis0 引言股骨是应力最为复杂的悬臂梁结构，对其生物力学特性的研究，可为运动学、骨科医学及手术方法评定等提供可靠的理论指导[1-2]。

股骨有限元模型的建立及损伤生物力学验证

股骨有限元模型的建立及损伤生物力学验证邹冬华;李正东;黄平;刘宁国;陈忆九【摘要】Objective To investigate the feasibility of creating an effective femoral finite element model from medical images of CT scan with Mimics software, and to provide a good model for femoral fracture biomechanics. Methods CT images of femur were obtained from 16-slice spiral CT, which were subsequently imported into Mimics software according to DICOM standard. The 3D femoral finite element model was developed, meshed and assigned with material properties. The feasibility of the model was tested and validated with LS-DYNA in different modes including vertical load of 1 000 N, 3-points bending and side impacts. Results Five hundred twenty-one scanning images were available and reconstructed to create a femoral finite element model consisting of 17 879 nodes and 106 834 tetrahedron elements. The average stress on the femoral neck nodes under vertical load was (3.2097±1.3735) Mpa. Strain-deflection curve in 3-points bending test was consistent with Kennedy's study results. The results of the side impact test were in accordance with the forensic anatomical findings. Conclusion The established model should be applicable to femoral collision biomechanics studies.%目的探讨利用Mimics软件将CT医学影像数据转化为有效的股骨有限元模型的可行性,为股骨骨折的生物力学研究提供模型基础.方法利用16排螺旋CT扫描股骨,将扫描结果以DICOM格式导入Mimics软件中,生成股骨三维模型,并对模型网格划分、材料赋值.在LS-DYNA软件中分别施加1000N的垂直载荷、进行三点弯曲试验及股骨侧面撞击分析,以验证模型的可行性.结果 CT扫描共获得521张扫描图片,所建立的股骨三维有限元模型,共17 879个节点,106 834个四面体单元.垂直载荷下股骨颈各节点应力平均为(3.209 7±1.373 5)MPa,股骨三点弯曲试验中应变-挠度曲线与Kennedy试验结果一致,股骨侧面撞击有限元分析结果与法医学尸体解剖所见相符.结论本研究建立的模型适用于股骨生物力学碰撞研究.【期刊名称】《法医学杂志》【年(卷),期】2011(027)004【总页数】5页(P241-245)【关键词】法医病理学;生物力学;有限元分析;体层摄影术,螺旋计算机;股骨【作者】邹冬华;李正东;黄平;刘宁国;陈忆九【作者单位】司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室,上海200063;司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室,上海200063;复旦大学上海医学院法医学系,上海200032;司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室,上海200063;司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室,上海200063;司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室,上海200063【正文语种】中文【中图分类】DF795.1有限元方法是根据变分原理求解数学上可描述的物理问题的一种数值计算方法，其主要优点是能够解决结构、材料性质和荷载情况都比较复杂的生物力学问题。

基于FG数据的股骨三维有限元建模方法

!""#$%%%&%%’( )#$$&***+,#清华大学学报-自然科学版./012345678329-":2;0<:5.=*%%>年第(>卷第+期*%%>=?@A B(>=#@B+*C,+D($D&($E 基于F G数据的股骨三维有限元建模方法彭亮=曾小丽=白净-清华大学生物医学工程系=北京$%%%C(.收稿日期H*%%D&%+&$%基金项目H国家自然科学基金资助项目-D%++$%$%=D%’>$%$+.作者简介H彭亮-$E>C&.=男-汉.=黑龙江=博士研究生I通讯联系人H白净=教授=J&K72A H L<7M N O P1234567B<L6B:3摘要H实现一种基于计算机断层成像!"#$数据的股骨三维有限元建模方法%用于生物力学研究&可视人计划!’()$男性标本的冷冻"#序列图像分割后%用移动立方体算法三维重建股骨几何模型并转换为有限元网格%有限元网格设置各向同性和正交各向异性材料特性建立两个有限元模型%有限元模型施加双腿站立情况的边界条件进行有限元分析&结果表明%这两个股骨有限元模型能很好地和股骨解剖结构相符合&基于"#数据的建模方法可以快速并精确地建立各种骨骼的三维有限元模型&关键词H计算机断层成像!"#$*股骨*有限元建模*材料特性中图分类号H Q+$C B%$文献标识码H R 文章编号H$%%%&%%’(-*%%>.%+&%($D&%(G S T U U V W X Y U Z[X\Z]^_X Z X‘U U^U Y U Z‘Y\W U^X Z aY U‘S\W\__U Y b T[c][U W\ZF GW]‘]d e f g h i j k l=m e f g n i j o p i=q r s t i k l-u U v]T‘Y U Z‘\_w X\Y U W X x]^y Z a X Z U U T X Z a=G[X Z a S b]z Z X{U T[X‘|=w U X}X Z a~!!!"#=F S X Z].$c[‘T]x‘HR P5%<<&L2K<312@37A&<K@%7A&232P<<A<K<3P-’J.K@L<A234 K<P5@L(71L<9<A@)<LM71<L@3:@K)6P<LP@K@4%7)5*-)0.L7P7 &@%M2@K<:5732:7A%<1<7%:5B)01A2:<1&%@K 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L632P=,8.与骨骼表观密度具有近似的线性关系=而骨骼表观密度与骨骼材料特性存在幂指数关系的经验公式=能够较精确地描述骨骼材料特性1*=+2I因此=)0数据被广泛用于骨骼有限元建模I)0数据最初只用于骨骼几何建模=后来才逐渐用于骨骼材料特性的设置I目前用)0数据进行几何建模和材料特性设置的骨骼有限元建模方法主要有两种1$2I一种方法是基于体素的方法=该方法直接由)0体数据的体素生成六面体有限元网格=并由体素设定材料特性=其特点是建模时间短=材料特性便于设置=但不能精确描述几何形态I另一种方法是基于几何的方法=该方法首先三维重建几何模型=然后转换为有限元网格=最后通过坐标变换设置材料特性=其特点是可以精确描述几何形态和材料特性=但是建模时间长=材料特性设置较复杂I因此=基于几何的方法比基于体素的方法更能保证有限元分析的精确性I股骨作为人体最大最粗的长骨具有典型生理意义=其生物力学问题需要深入研究I以往基于几何的股骨有限元建模方法存在一些问题=如材料特性设置简单=仅用密质骨3松质骨和骨髓+种材料来描述=而且还需确定这+种材料间的分界面=几何模型到有限元网格转换工作繁复且耗时长I本文提出了一种基于几何的股骨三维有限元建模方法=不仅可以更精确地描述股骨材料特性=而且可以大幅缩短建模时间I!"#数据的处理采用美国可视人计划$%&’&()*+,-./0123*456 789:冷冻后男性标本的;<数据=>?@股骨范围的;<数据包含>A B张;<图像序列6序列编号由CD E>到B F>E6序列间距为C G H--@图像分辨率为E C B IE C B像素6像素大小为H G A F JE--IH G A F JE--@8K值已经增加CH B>6为C B位数据6以C L位数据存储@首先6检验;<图像序列的相关性@人体解剖结构具有空间连续性6故;<图像序列相关性较高6即相邻两张;<图像相关系数较大@并且序列间距越小6相关性就越好6相邻两张;<图像相关系数也就越大@本文;<图像序列间距较小6故只有相邻两张;<图像的相关系数都大于H G A E6才能保证;<图像序列具有良好的相关性@经计算发现6绝大多数相关系数都大于H G A A6只有序列编号为BH A>的;<图像与相邻两张;<图像的相关系数低于H G A H@该张;<图像经过平移处理后使得所有相关系数都大于H G A A@然后6分割;<图像序列@由于;<数据骨骼与周围软组织8K值差别较大6故先用阈值法初步分割68K阈值设定为C B H H@股骨干可直接完成图像分割6而两端关节股骨与其他骨骼及韧带8K值差别较小6还需手工分割@由于全部;<图像序列数据量较大6而每张;<图像中股骨兴趣区域$1*M&2/2N&/5*1*’56O P Q:较小6故确定股骨O P Q以减少数据计算量@计算分割后;<图像序列中股骨分布范围即可确定股骨O P Q@本文股骨O P Q大小为C B H IA H 像素6数据量大幅减少6不到原来的>G B R@根据股骨O P Q由分割后的;<图像序列建立分割后的股骨体数据6用于几何建模S由分割前的;<图像序列建立分割前的股骨体数据6用于材料特性的设置@T几何建模及网格划分可视化软件包7<U F G B用于股骨几何模型的三维重建@7<U程序先读取分割后的股骨体数据6经过V.,’’平滑处理再用移动立方体$-.14+&/M4,(*’:算法三维重建股骨外轮廓等值面6再经过平滑和规范化处理将股骨几何模型存为立体成型$’5*1*2W)&5+2M1.0+X6Y<Z:格式文件$图C.:@由分割后的股骨体数据求得股骨全部体素的体积为L>L G H L4-F6而股骨几何模型的体积为L B J G E C4-F6二者相差不大6约为B G A R6说明股骨几何模型能够精确描述股骨真实的几何形态6误差主要是由平滑处理造成的@Y<Z格式文件作为几何模型到有限元网格的接口文件@Y<Z格式文件用三角面片描述股骨外轮廓等值面6只需根据容许度合并重复三角面片就可直接进行网格划分6无需进行其他处理6可以大幅缩短建模时间@应用美国[Y;公司的有限元软件[\O;B H H F 完成网格划分和有限元分析@网格划分采用D节点等参六面体单元6单元大小为F--I F--I F--6[\O;B H H F自动完成网格划分$图C(:@股骨有限元网格单元总数为B>>>C6节点总数为B AC L C@股骨有限元网格的体积为L B F GD D4-F6与股骨几何模型体积相比相差很小6约为H G L R6说明股骨有限元网格能够很精确描述股骨几何模型6并且单元越小就越能精确描述@图!股骨几何模型和有限元网格]材料特性的设置股骨材料特性的设置首先根据单元和节点信息计算每个单元的8K值^H6然后为更符合股骨解剖结构将^H转换为新8K值^56最后根据^5与材料特性的关系设定每个单元的材料特性@每个单元^H的计算过程_C:根据单元与节点对应关系求得该单元所含的D个节点S B:算术平均这D个节点的空间坐标求得该单元几何中心的空间坐标SF:通过坐标变换在分割前的股骨体数据中找到距离该单元中心最近的体素S>:将该体素8K 值减少CH B>后赋值给这个单元@^H计算实际上是一种抽样过程6这样使得股骨有限元网格有些单元^H偏差较大6不符合股骨解剖结构@因此需将^H转换为^56后续工作在^5基础上进行@^5与^H的对应关系为_当^H‘CE H H时^5a CE H H S当内部单元^Hb C H H时^5a C H H S当外表面单元^Hb C H C时^5a C H C S其他情况下JC>彭亮6等_基于;<数据的股骨三维有限元建模方法!"#!$%同时根据!"分布情况设定密质骨!"范围由&$’到’($$)松质骨!"范围由’$’到&$$)而骨髓!"为’$$%这样就无需再确定密质骨*松质骨和骨髓之间的分界面)缩短了建模时间%研究结果表明)骨骼表观密度与+,值具有近似的线性关系-./%这里表观密度是指没有液体影响的骨密度)与骨骼的实际密度不同-(/%最硬的密质骨几乎不包含任何液体)故表观密度与实际密度相等)其他情况下二者不等)并且实际密度越小)二者差别就越大%假定表观密度01234567与+,值的线性关系由以下两个值确定8最硬密质骨其实际密度为.9$23456)表观密度05:;也为.9$23456)对应的+,值等于’($$<水的密度为’9$23456)表观密度0#$23456)对应的+,值等于$%因此)表观密度0与+,值!"的线性关系为0#05:;!"3’($$91’7同样)骨骼材料特性与骨骼表观密度存在幂指数关系的经验公式-6/%骨骼是一种各向异性的生物材料)由于各向异性弹性常数太多)故一般简化为正交各向异性)同时由于骨骼各向异性较弱)故还可以进一步简化为各向同性%下面分别介绍各向同性和正交各向异性两种材料特性的设置%各向同性情况下)骨骼材料特性用弹性模量= 1>?:7与?@A B B@C比D两个弹性常数表示%其中=与0存在经验公式)而D与0没有关系)一般为固定常数%各向同性材料特性设置如下-6/8=3>?:#.$E(-0312F45G67/69$H)1密质骨7) =3>?:#’H$I-0312F45G67/’9E I)1松质骨7) D#$9691.7正交各向异性情况下)骨骼材料特性用6个弹性模量=’*=.和=6)6个剪切模量J’.*J.6和J6’)与6个@A B B@C比D’.*D.6和D6’共H个弹性常数表示%其中=’*=.*=6*J’.*J.6*J6’与0存在经验公式)而D’.*D.6*D6’与0没有关系)一般为固定常数%正交各向异性材料特性设置如下-6)(/8=’3>?:#=.3>?:#.6’I-0312F45G67/’9(K) =63>?:#.$E(-0312F45G67/69$H1密质骨7) =’3>?:#=.3>?:#’’(K-0312F45G67/’9K&) =63>?:#’H$I-0312F45G67/’9E I1松质骨7) J’.#J’.5:;10305:;7.)J.6#J.65:;10305:;7.).D’.#$9I)D.6#D6’#$9.(9167式中8J’.5:;#(9K’L?:)J.65:;#K9’’L?:)J6’5:; #E9(&L?:%05:;为最硬密质骨的表观密度)为.9$ 23556%坐标系为股骨局部M:N"O B A:C坐标系)下标’表示内外方向)下标.表示前后方向)下标6表示上下方向%在这两种材料特性设置情况下)骨髓都被假定为一种不可压缩的各向同性材料)其弹性模量为.$>?:-’/)?@A B B@C比为$9I H H-E/%由这两种材料特性设置建立两个股骨有限元模型)这两个模型的材料特性均用’6H K种材料来描述%P有限元分析为了进一步评估这种建模方法)对上述两个股骨有限元模型进行有限元分析)并和前人方法建立的参考模型比较%参考模型材料特性为各向同性)用密质骨*松质骨和骨髓6种材料描述)弹性模量密质骨为’(9$$L?:)松质骨为’9’$L?:)骨髓为.$9$$>?:)?@A B B@C比都为$966-’/%边界条件根据双腿站立的生理情况施加)股骨轴线与垂直方向成’.Q)股骨远端固定位移)股骨头施加6$$R的关节压力%由于这6个有限元模型的几何形态和边界条件都相同)故有限元分析结果的差别是由材料特性设置不同引起的%分析结果用最大等效S@C>A B O B应力T3>?:比较%参考模型该值为’K9’6>?:1图.:7)各向同性模型该值为.$9I$>?:1图.U7)正交各向异性模型该值为.$96.>?:1图.47%各向同性与正交各向异性两个模型的分析结果差别很小)主要是因为股骨各向异性在双腿站立情况下表现不明显-K/%而这两个模型的分析结果与参考模型相差较大)约为’(V)由于本文方法能更详细地描述股骨材料特性)故分析结果更精确%W结论本文所提出的基于M X数据的股骨三维有限元建模方法)可以充分利用M X数据所提供的关于股骨的几何形态和材料特性信息)较以往方法能更精确地建立股骨三维有限元模型)保证有限元分析结果的精确性%同时这种方法的材料特性设置无需确定密质骨*松质骨和骨髓的分界面)并采用Y X Z格式文件实现几何模型和有限元网格之间快速且直接的转换)可以大幅缩短建模时间%另外这种方法还具有普遍性)可以建立其他骨骼的三维有限元模型%&’I清华大学学报1自然科学版7.$$K)I K167图!有限元分析结果参考文献"#$%$&$’($)*+,-./0123/456789:;<==>7?4=/@A7/=B4C D E;F B@<2E0E3 1/E;/=@G H I B2/5B05D J K E L/4H I B2/53<0<=//4/;/0=;E5/44<01 B05/L F/@<;/0=B4K B4<5B=<E0+>-C MN O P Q R S T U V7,W W X7 !Y"Z*[\,\\]]C+]-^:E>_7‘E I B=:E6D7?2:;B0^a C^/4B=<E02E3 ;/9:B0<9B4H F@E F/@=</2=E5/02<=GB05D J0b;I/@2<0:b;B0I E0/+>-CMN OP Q RS T U V7,W W\7c d"\*[e f Z e\\C+e-g<@=h iD789:<33/@2j7A B05E@3J7/=B4C D@<=<9B4/K B4b B=<E0 E3k0E l0I E0/;B=/@<B4F@E F/@=</2=E@/B4<h/B0<2E=@E F<9 m n H2<;b4B=<E0E3=:/F@E L<;B43/;b@+>-Cop q r s N t T7]u u u7 v v",u*[,e]\,e e u C +f-8F<=h/@w7?9k/@;B06>789:/@h<01/@?.7/=B4CJ:/ K<2<I4/:b;B0;B4/[?=/9:0<9B4@/F E@=+>-Cox s MN Oy Q z x V V r t7,W W{7v"]*[,,X,e u C+\-J B G4E@g^7^E4B05n7A4E/1‘7/=B4Ci/=/@;<0B=<E0E3 E@=:E=@E F<9I E0//4B2=<99E02=B0=2b2<01m n?B05;E5B4 B0B4G2<2+>-Cop q r s N t T7]u u]7v|"{*[Z{Z Z Z e C+{-A<=h/0J7}/<24/@m76B==:<2i7/=B4C?3<0<=//4/;/0= ;E5/43E@F@/5<9=<01=:/I<E;/9:B0<9B4I/:B K<E b@E3=:/ :b;B04b;I B@2F<0/+>-C~r Q!"r#P Q R S"$t!q t N7]u u]7c Y",*[X e W u C+Z-A n j}.<B017a?%><017&n j}’<B E4<7/=B4CD E;F B@<2E0E3 <2E=@E F<9B05E@=:E=@E F<9;B=/@<B4F@E F/@=G B22<10;/0=2E0 3/;E@B43<0<=//4/;/0=;E5/42b05/@=l E4E B5<019E05<=<E02 +>-CMN OP Q RS T U V7]u u{7!("e*[]]Z]e e CW,f彭亮7等[基于D J数据的股骨三维有限元建模方法。

基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析

基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析
近几十年来，医学及工程学领域均在以不同的方式尝试精确建模人体骨骼。

其中，股骨作为人体最大的长骨之一，其精确建模具有极大的研究意义。

本文旨在介绍一种基于CT 的股骨精确建模方法，并对其进行三维有限元分析。

首先，该方法的第一步是获取股骨CT扫描图像。

这可以通过常规放射性检查或计算机断层扫描（CT）来实现。

然后，使用三维图像处理软件对图像进行处理，生成精确的三维股骨模型。

处理过程中需注意区分股骨头和股骨体、转子，以及软骨等结构组织。

接下来，对三维模型进行网格剖分和离散化，将其转换为有限元模型。

确定相应的材料参数和边界条件，并通过数值模拟方法，使用适当的有限元软件进行三维有限元分析。

分析过程中需确定负载情况，以及骨骼组织的材料特性，如骨密度、韧性等。

通过分析得到的数据，可以评定股骨的应力分布、刚度、韧性等性能参数。

在手术前确定骨骼缺损的大小和形状，以及材料特性，同时根据具体手术需求，模拟手术过程，选择合适的修复方法。

此外，还可以对修复方法进行比较，选择最优解决方案。

本方法不仅可以用于医学研究，还能在医疗领域应用于手术前规划和手术过程仿真，以提高手术成功率和患者的生活质量。

同时，在理论和实践中，都有意义。

浅谈人工骨外形三维建模技术

浅谈人工骨外形三维建模技术人体缺损骨骼的制造与加工是医疗康复工程中的一个热点问题，制备人工骨的优劣直接影响到医学治疗的质量。

为了满足不同患者的个体化需求，以成人股骨为研究对象，在个体患者螺旋CT断层扫描图像的基础上，应用计算机辅助几何设计的理论，结合计算机图型学和计算机图像处理技术，并运用医学图像软件、逆向工程软件及实体建模等计算机辅助软件，实现了缺损人工骨的外形建模。

标签：CT图像；人工骨；图像软件；三维建模0 引言医学CT图像的三维表面建模技术主要是指以CT断层图像为基础，综合运用计算机图像处理、计算机图型学和计算机辅助几何设计等理论，构造人骨的CAD三维模型。

1 图像数据处理先对CT切片图像进行平滑处理来消除噪声，再进行二值化处理；然后进行边缘检测，再经过轮廓跟踪处理，得到单像素链表示的封闭轮廓曲线。

（1）格式转换。

先把DICOM图像转化为BMP位图文件。

现在大部分软件都可以直接输入DICOM图像。

（2）图像预处理。

CT 图像的形成当中会引入不同的噪声，需要在对图像进行平滑和噪声去除预处理。

采用中值滤波对图片进行平滑处理，可以克服线性滤波器如最小均方滤波、平滑滤波等所带来的图像细节模糊，而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声最为有效，保护图像边缘的同时又能去除噪声。

（3）图像分割。

图像分割也就是阈值变化，将骨组织区域分离出来。

进行图像二值化可以采用Otsu 的方法选取阈值。

它是一种自动选取阈值的方法，它的算法准则是寻找使类内方差最小和类间方差最大的灰度值作为最佳阈值。

（4）轮廓提取。

轮廓提取就是要得到骨组织区域边界曲线。

先用提取边缘检测得到轮廓信息，再进行取样最终得到边界曲线。

1）边缘检测是对图像的边缘进行处理获得闭合平滑的边缘信息。

利用边缘检测算子进行图像边缘检测。

图像矢量轮廓数据是点阵图型的矢量化，目的是沿着图像的边界进行搜索，并将搜索到的轮廓线上的点坐标记录在点列中存储。

2）CT图像的反求技术的主要问题是减少数据量。

人体股骨有限元模型的建立及静力学分析

第２Ｏ卷
第３期
北京石油化工学院学报
ＪｕｎｌｏｉｎｎｔｔｔｆｏｒａｆＢｅｉｇＩｓｉｕｅｏｊ
Ｐｅｒ — ｈｅｃｌＴｅｈｌｙｔｏｃｍｉａｃｎｏｏｇ
Ｖｏ－０ＮＯ３ｌ２．
Ｓｅ２２ｐ．０１
２１０２年９月
人体股骨有限元模型的建立及静力学分析
张军文邓双成。郑海洋孙涛孙立强宗大圣。
（．京化工大学，京１０２；．北京石油化工学院，京１２１；１北北００９２北０６７３北京工业大学，京１０２）．北０１４
该方法建立的模型速度快，不需要数据的中间转换，始Ｃ原Ｔ数据也不会丢失，因此建立的模型相对比较准确。并利用该模型分析人正常站立
件
Ｍｉｃｌ．中，经过阀值分割ｍｉ００ｓ
（ｈｅｈｌｉｇ、补空洞（ａｉｉ）区域增ｔｒｓｏｄｎ）填Ｃｖｙｆ１、ｔｌ长（ｇｏｒｗｉｇ、算３ｃｌｌｔ３Ｒｅｉｎｇｏｎ）计Ｄ（ａｃａｅＤ）ｕ后，还需要不断地重复进行以上几个操作，目的是得到实验需要的股骨部位，需要部分已经不
人体股骨有限元模型的建模流程如图１
所示。
对体重５ｇ健康女性志愿者全股骨进行ＯｋＣＴ断层扫描，得原始图片，存为５２１取保１ ×５２