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《南方医科大学》 2008年
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人体骨骼数字化重建及三维有限元分析

肖进  
【摘要】: 目的 数字医学是一门以医学和数字化高新技术相结合为主要特征,涵盖了医学、数学、信息学、电子学、机械工程学等多种学科的新兴的医工交叉学科,目前这一学科已成为现代医学的重要组成部分,特别在外科领域“数字医学”已经对外科手术产生了重要变革。随着数字医学技术在临床医疗领域的不断深入与拓展,传统医学正朝着以“精确化、个性化、微创化、远程化”为主要特征的现代医学方向发展。目前数字技术在骨科临床应用日益广泛。这是一种直接融入医生个人技术中的数字化技术,必将随着数字医学的发展而迅速发展,同时成为21世纪医生的基本临床技术之一。 本课题拟将数字化技术应用于骨科临床实践,共进行两个部分的研究。①脊柱侧凸是临床常见病,解剖复杂,且是包括矢状面、冠状面和水平面变化的三维立体畸形。术前了解脊柱畸形的全貌和细节对正确诊断分型、制定手术计划、确定固定节段、选择合适的椎弓根螺钉、估算螺钉进钉角度等非常重要。既是临床工作的重点,对手术治疗的成功必不可少;同时又是临床上的难点,因为以往光靠X线、CT或MR等二维影像资料难以准确评价病变的实际情况。本课题第一部分,于手术前对脊柱侧凸病人进行病变脊柱的数字化三维重建,并应用快速成型(Rapid prototyping,RP)技术制作出畸形脊柱实体,以指导临床诊断分型,手术设计及术前手术操练。②由于骨盆标本很难得到,加之其解剖结构复杂,力的传导呈各向异性,各研究者制作的骨盆标本统一性比较差等原因,用实验力学方法难以对骨盆受力作出全面而准确的分析,目前对骨盆的力学分析还处于极其粗糙的阶段。有限元法因为其结果不受样本数量限制,实验误差小,重复性好等优点,正日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。本课题第二部分对正常成人骨盆进行数字化重建,并在此基础上对骨盆的受力及损伤机制进行三维有限元分析(Finite element analysis,FEA)。 第一章脊柱侧凸的数字化三维重建及快速成型 第一节脊柱侧凸的数字化三维重建 材料和方法 随机选取2007年7月~2007年9月收治的6例脊柱侧凸畸形患者,年龄6-21岁,平均14.0岁,其中男1例,女5例,特发性脊柱侧凸4例,先天性侧凸2例。术前均进行脊柱PET-CT断层扫描,扫描层厚1mm,获得脊柱的细间距断面图像,以DICOM格式保存于光盘;输入个人计算机,应用Mimics 8.1软件进行三维数字化重建。重建步骤包括先将数据导入Mimics,然后进行图像分割,利用软件的3D重建功能对感兴趣的部分进行重建,得到脊柱和相邻骨性结构如肋骨、骨盆等的三维重建图像。再对图像进行各种所需的观察和测量。 结果 本组6例患者全部进行脊柱的数字化三维重建,得到病变脊柱的三维立体图像。通过对3D模型进行旋转、平移等操作,结合观察轴位、冠状位及矢状位二维图像,可以方便地从任意角度和方向观察脊柱畸形情况,测量有关的数据:包括侧凸、后凸、旋转畸形的程度、范围、包含的节段;各椎体及附件的相邻关系、形态;椎弓根的横径、矢状径;相关骨性结构如胸廓、骨盆的毗邻关系、变形情况等等。籍此更全面、更清晰地了解病变的整体及细节。还可以在数字化模型上进行手术设计,模拟内固定器械植入操作等。 第二节脊柱侧凸畸形的快速成型及临床应用 材料和方法 在第一节三维重建的基础上,将患者脊柱的三维重建结果以STL格式输出,应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制作病变脊柱的1∶1实体模型。根据模型可以直观地了解病变脊柱的各种信息,进行手术设计,模拟打钉操作等。术中还可以将模型带入手术室,供术者参考。 结果 本组6例患者入院后均进行数字化人体脊柱三维重建和快速成型,全部行手术治疗。术中见畸形表现与术前重建所示完全一致,快速成型模型与病变脊柱的形态、尺寸完全吻合,准确、直观地反映了畸形病变的具体状况。所有患者均按计划完成了手术,手术过程顺利,术后效果良好,未出现神经、血管损伤等并发症。术后X线和CT复查矫形效果满意,显示椎弓根螺钉位置正确。 结论 随着数字化人体技术和快速成型技术的飞速发展,将之应用于脊柱病变的诊断和治疗成为可能。本研究证明了这一技术应用于临床的可行性和可靠性。对脊柱侧凸患者,临床医生采集CT扫描数据进行数字化三维重建,利用快速成型技术生成实体模型,可以直观地观察脊柱畸形的具体病变情况,进行手术计划,模拟手术操作,还可以更有效地与患者及家属进行沟通。加深了医生对疾病的理解,促进了手术治疗效果的提高。 第二章骨盆的数字化重建及三维有限元分析 第一节骨盆三维有限元模型的建立 材料和方法 一例中年男性正常志愿者(35岁),经X线、B超检查排除骨盆损伤、肿瘤、畸形等病变,进行PET-CT扫描,层厚1mm,得到的二维原始图像以DICOM格式输出,导入个人电脑。采用Mimics 8.1软件进行骨盆的数字化三维重建,包括图像输入、分割、三维重建等步骤,结果以STL格式输出(参考第一章内容)。然后进行三维模型的后处理:利用Freeform软件对模型进行平滑、除噪点、铺面等修饰处理,结果以有限元分析软件能够接受的IGES格式输出。将经过Freeform软件修饰后的IGES格式存贮的骨盆三维实体模型导入到有限元分析软件ANSYS 9.0中,定义模型的单位,设定实常数,定义材料属性,添加韧带等骨盆附属结构,进行网格划分,最终建立有限元模型。 结果 在ANSYS软件中得到了一个完整的骨盆有限元模型,包括骨性结构及韧带、关节软骨等组织。该模型共建立节点241277个,单元155194个。可以在此基础上对骨盆进行加载,破坏,模拟各种手术(如复位、上内固定等)操作等。 第二节骨盆静载荷作用下的有限元分析 材料和方法 在第一节中建立的骨盆有限元模型中,模拟人体双腿直立位的生理姿势,向骨盆施加轴向载荷。具体方式为约束双侧髋臼,向骶骨椎体上表面垂直加压,压力均匀分布于各个结点。所加载荷大小为500N,在ANSYS软件中进行非线性应力分析求解。完成之后进行应力、应变、位移等分析求解过程,求解结束之后采用该有限元分析软件的后处理功能,得出应力云图、应变云图、位移云图等结果,结合临床进行结果分析。 结果 两侧髂骨应力分布情况完全一致,应力经两侧骶骨翼、骶髂关节,斜向下方经过坐骨大切迹附近,髂骨中央弓状线,传导至两侧髋臼。其中以骨盆背面坐骨大切迹附近所受应力最大,为0.434E+07(Pa)。骨盆前环即耻骨支和耻骨联合受力较小。表明骨盆的主要负重和稳定结构位于后方,前方结构的功能以支撑为主。应变集中在两侧骶髂关节,绝对值很小,约0.004527-0.022633,前方的耻骨联合处应变极小,可忽略不计;其余骨性部分无应变。骶骨背侧的骶正中嵴位移最大,达0.164E-03m(即0.164mm)。以此为中心,移位向两侧扩散直至髂骨翼部分逐渐减弱至0。 第三节外旋应力作用下骨盆的三维有限元分析 材料和方法 在第一节建立的骨盆有限元模型中,约束骶骨,向左侧髂前上棘施加500N水平向后的载荷,模拟骨盆受到外旋应力时的受力情况。 结果 在外旋载荷作用下,应力沿两条途径传导:一条是向内后方经同侧骶髂关节前部至骶骨上部,另一条是向前方经同侧耻骨支、耻骨联合至对侧耻骨。最大应力出现在同侧骶骨岬部,为0.240E+08(Pa),最小应力出现在同侧骶髂关节上半部。与垂直加载时应力分布不同的是,在此状态下骨盆前环受力较大。利用ANSYS软件的切割功能,单独对小骨盆进行应力分析,发现在骨盆前环中,同侧耻骨上支中段偏前下方处应力为前环中最大的,为0.0142E+08(Pa),对侧耻骨上支中段及两侧耻骨下支所受应力也比较大。同侧骶髂关节前下方应变最大达0.35,后上方应变最小;对侧骶髂关节应力很小。前方的耻骨联合处应变也较大,达0.22。位移以受力点—该侧髂前上棘处最大,达0.0035m。同侧的髂骨、坐骨及耻骨支位移均较大,对侧耻骨支及髂骨外侧半位移较小。位移最小的部位是同侧骶髂关节上半部。 第四节骨盆损伤内固定的三维有限元分析 材料和方法 在骨盆有限元模型中,模拟一侧骶髂关节脱位后,于受伤侧关节前方上接骨板螺钉内固定。对内固定的骨盆分别施加500N轴向载荷及外旋载荷,进行受力分析。 结果 垂直加载时,内固定系统处产生了应力集中,其最大应力达0.599E+09(Pa),约为正常骨盆的100倍。同时,损伤侧关节因固定而失去了变形性,应变由完整骨盆的两侧关节对称变为仅正常侧关节存在应变。位移分布图则显示固定侧骶髂关节是整个骨盆中位移最大的部分,达0.342mm。 在外旋应力作用下,内固定系统处同样存在应力集中,达0.265E+10(Pa)。此时应变以前方的耻骨联合处最大,是骨盆完整时该处应变的大约4.5倍。位移分布与完整状态下的骨盆基本一致,受力点处(左侧髂前上棘)位移最大,内固定侧骶髂关节的位移极小,与正常状态下相似。 结论 本研究采用正常成年男性骨盆CT扫描的数据,输入PC机后通过Mimics软件重建数字化模型,结果再导入ANSYS软件进行三维有限元建模和有限元分析。在垂直应力和外旋应力这两种加载状态中,骨盆的应力、应变及位移变化趋势与采用尸体标本的实验研究及理论认识基本一致,充分说明了模型的有效性和可靠性。并以该模型为平台,模拟骨盆损伤(一侧骶髂关节脱位)及内固定情况,分析骶髂关节前方钢板固定的稳定性。今后还可以进一步利用这一模型来全面地对骨盆进行分析,如骨折、骶髂关节脱位、内固定、部分切除等各种情况下的变化。
【学位授予单位】:南方医科大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:R687.3;R319

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