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三维建模与有限元分析在眼科和骨科的应用

周伊顗  
【摘要】:21 世纪医学成像方式、计算机图像处理、三维建模、有限元分析等工程领域和眼科、骨科等医学领域的各方面研究都取得了很大的进展。本论文的主要任务就是从高精度的医学图像数据出发,建立所需要的器官的几何结构模型,并进而导入有限元计算软件进行分析,将工程上的三维建模和有限元分析方法应用到医学上的眼科和骨科中。 在三维建模方面,本论文着重构建了基于医学图像进行器官组织的三维几何建模的整套流程,包括图像获取、预处理、分割、配准、三维可视化等,建立了眼球-眼外肌和股骨近端的三维几何模型。它们的外形特征与实际的在体情况相符合,很好表达出了这些部位的解剖结构特点。 在有限元分析方面,本论文使用 Ansys 和 Marc 软件,对眼球-眼外肌模型和股骨模型开展了一系列分析研究。对于眼部组织的研究,得到了通过眼球转动引起变化和通过眼外肌受力引起变化的两套数据,和相关的眼科资料比较,结果吻合实际眼部运动规律。对于股骨的研究,对三个模型的多种情况作了分析,归纳出的应力、应变和位移等参数的分布规律,也与骨科的临床知识符合,其中着重研究了把图像 CT 值转换为模型对应位置的材料特性值的方法,使得计算模型更接近真实情况。同时结合在医院所做的实验,模拟了股骨头缺损等情况,提出将计算和实测对照检验的方法,致力于将计算模拟的结果不断完善。 本论文还解决了将三维建模和有限元分析这两部分结合的接口设计问题,并初步研究了二维板壳结构和肌肉模型,为整套建模计算方法将来向微观和更加细致具体的方向发展提供了启示。 从总体上看,本论文建立了一套分析体系,结合 CT 断层扫描技术、图像处理和重建方法、CAD 三维建模以及有限元分析技术,探讨了原始数据的图像分割、三维重建、导入有限元分析软件、根据器官的正常或异常情况模拟受力和运动的整个过程。通过将基于数据的三维建模和有限元分析相结合,提供了一套基于医学图像数据进行生物力学分析的具体方法。


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