基于正向工程建模和CT灰度值賦予材料屬性的人體股骨受力分析

王爽 楊寶軍 陳廣新

摘 ?要： 按照股骨在站立位、膝關(guān)節(jié)先著地條件下進(jìn)行分類，分析股骨在不同狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況，并對股骨骨折的臨床應(yīng)用提供借鑒。利用MIMICS軟件對志愿者股骨CT的DICOM數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建模型，利用3-matic進(jìn)行模型修復(fù)、光順，利用有限元前處理軟件SimLab進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分、并應(yīng)用MIMICS基于股骨CT灰度值賦予材料屬性，最后用ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)靜力學(xué)軟件進(jìn)行股骨應(yīng)力模擬分析。計(jì)算結(jié)果表明股骨在站立位，應(yīng)力主要集中在股骨的上中段，在膝關(guān)節(jié)著地時(shí)，股骨下段受力增大，且股踝間受力出現(xiàn)集中現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果說明不同受力狀態(tài)下的股骨骨折的可能性。

關(guān)鍵詞： DICOM;CT灰度值;股骨;應(yīng)力分布

中圖分類號： TP319 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.010

本文著錄格式：王爽，楊寶軍，陳廣新，等. 基于正向工程建模和CT灰度值賦予材料屬性的人體股骨受力分析[J]. 軟件，2019，40（4）：5155

【Abstract】： According to the classification of femur in standing position and knee joint landing first， the stress distribution of femur in different states is analyzed， and the clinical application of femoral fracture is provided for reference. MIMICS software was used to reconstruct the DICOM data of volunteer femoral CT accurately in three dimensions. 3-matic software was used to repair and smooth the model. SimLab software was used to divide the finite element mesh， load the force， and MIMICS was used to assign material attributes based on the gray value of femoral CT. Finally， ANSYS WORKBENCH structural statics software was used to simulate and analyze the femoral stress. When the femur is standing， the stress mainly concentrates on the upper and middle part of the femur. When the knee joint touches the ground， the force on the lower part of the femur increases， and the force between the femur and ankle appears to be concentrated. It shows that different stress states determine the possibility of femoral fracture.

【Key words】： DICOM; CT Gray Value; Femur; Stress distribution

0 ?引言

股骨是人體中最大的長管狀骨，股骨骨折是骨科常見疾病，股骨通過股骨頭與上方的髖臼相連，組成了人體全身最大且最穩(wěn)定的關(guān)節(jié)，在股骨頭的外下方是股骨頸，股骨頸的內(nèi)部全部由松質(zhì)骨組 ?成[1]。近年來人股骨骨折的發(fā)病率日益增多，已經(jīng)成為現(xiàn)代骨科常見疾病，股骨骨折方式有兩種，一種是股骨近端骨折，股骨近端骨折又可以分為股骨頭骨折、股骨頸骨折、粗隆間骨折等等幾種;另一種是股骨干骨折[2]。建模與仿真是研究骨骼生物力學(xué)的重要手段，在探索骨骼發(fā)病機(jī)理和完善治療方案中發(fā)揮重要的作用。一些學(xué)者應(yīng)用逆向工程方法，采用皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨分開建模，以各向同性方式分別給皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨賦予材料屬性。這種建模和賦予材料屬性方法存在很多缺點(diǎn)，如模型信息丟失較多，效率低下，計(jì)算結(jié)果可能會與真實(shí)情況相差較多，還有一部分學(xué)者采用局部分析法，只分析股骨近端，這種研究不夠全面。本實(shí)驗(yàn)研究基于正向工程方式，利用比利時(shí)Materialise公司的MIMICS 21.0軟件對人體股骨DICOM數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建和基于灰度值方法賦予模型材料屬性，應(yīng)用解剖學(xué)CAD軟件3-matic13.0進(jìn)行模型表面光順等處理，應(yīng)用美國Altair公司的SimLab 2017軟件對模型進(jìn)行有限元分析前處理，應(yīng)用美國ANSYS公司的ANSYS 18.0進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真計(jì)算，通過兩種不同受力狀態(tài)分析，探討股骨骨折與受力的因果關(guān)系。

1 ?對象和方法

對象：選取男性健康志愿者1名，42歲，身高170cm，應(yīng)用CT檢查排除病變、損傷等情況，受試者知情同意并簽署知情同意書，得到醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理學(xué)委員會批準(zhǔn)。

設(shè)備與軟件：掃描設(shè)備：中國東軟公司的NeuViz 128排螺旋CT;計(jì)算機(jī)：Dell 7810圖形工作站，16G內(nèi)存，E5處理器，NVIDIA 2G顯卡，21寸液晶顯示器;軟件：比利時(shí)Materialise公司醫(yī)學(xué)圖像處理軟件MIMICS 21.0、正向工程軟件3-matic 13.0、美國有限元前處理軟件SimLab 2017、美國ANSYS公司有限元仿真分析軟件ANSYS 18.0。

方法：（1）三維重建模型：使用東軟公司NeuViz 128排螺旋CT機(jī)薄層掃描志愿者下肢，掃描電壓為120 kv，掃描電流為300 mA，層厚為1 mm。共獲得1206層斷層圖像，以DICOM 3.0格式保存。將獲得1206層斷層圖像以Dicom 3.0格式導(dǎo)入MIMICS21.0軟件中[3]使用高級分割功能CT Bone對股骨斷層圖像進(jìn)行Bone selection、Mask Threhold、Calculate Part處理，獲得右側(cè)股骨的三維重建模型，從左往右依次為股骨正面觀、側(cè)面觀、后面觀（圖1）。

（2）股骨有限元模型的網(wǎng)格劃分：由于MIMICS獲得股骨初步模型存在表面粗糙、細(xì)節(jié)丟失、三角面片不精確等問題，無法直接用于有限元計(jì)算，故需要在將MIMICS中獲得的股骨三維初步模型導(dǎo)入3-matic中進(jìn)行光順（Smooth）、包裹（Wrap）、補(bǔ)洞（Fill hole）等處理，確保模型足夠光滑。應(yīng)用3-matic Remsh模塊對模型進(jìn)行面網(wǎng)格、將3-matic畫完的面網(wǎng)格導(dǎo)入SimLab軟件進(jìn)行體網(wǎng)格劃分。體網(wǎng)格劃分結(jié)果為：四面體10節(jié)點(diǎn)，單元數(shù)201287，節(jié)點(diǎn)數(shù)352691。

（3）股骨有限元模型的材料賦值：將模型網(wǎng)格文件導(dǎo)入MIMICS軟件中，基于CT斷層圖像的灰度值，使用經(jīng)驗(yàn)公式按十種材料屬性對股骨有限元模型進(jìn)行材料賦值（圖2）[4]，賦值之后模型以solid187單元類型導(dǎo)出：為避免密度出現(xiàn)負(fù)值，本文定義兩種材料類型：

（4）股骨仿真計(jì)算：對股骨在站立位、膝關(guān)節(jié)著地情況下的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真計(jì)算，對生理狀態(tài)下的股骨頭垂直加載1000 N的力，約束條件分別為：股骨在站立位情況下：對脛骨關(guān)節(jié)面進(jìn)行約束;膝關(guān)節(jié)先著地，在股骨下段的前下方進(jìn)行約束。

主要觀察指標(biāo)：不同受力條件下的股骨應(yīng)力與變形分布情況。

2 ?結(jié)果

2.1 ?股骨在站立情況下的應(yīng)力與變形分析

由股骨的應(yīng)力云圖（圖3）可知，股骨在站立情況下，股骨前、中、后的應(yīng)力分布不均勻，其中最大應(yīng)力集中在股骨中段附近。股骨頸存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值為25.379，遠(yuǎn)小于股骨中段附近的最大值，但股骨頸應(yīng)力比股骨頭大，轉(zhuǎn)子間也存在應(yīng)力集中且比大小轉(zhuǎn)子大（圖4）。股骨頭變形最大（圖5），變形程度沿股骨軸向由近端到股骨的中段

部位逐漸減小，股骨中段到股骨遠(yuǎn)端幾乎無變形。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了在臨床上垂直墜落傷時(shí)，股骨骨折以股骨中段骨折為主，下段骨折則以螺旋形骨折多見，而股骨頸骨折在這個(gè)受傷機(jī)制相對較少一些，除了一些骨質(zhì)疏松患者，特別是股骨頸骨質(zhì)疏松為主的，可以出現(xiàn)股骨頸及轉(zhuǎn)子間骨折，頭及大小轉(zhuǎn)子間骨折[5-7]。

2.2 ?股骨在膝關(guān)節(jié)著地情況下的應(yīng)力與變形分析

股骨在膝關(guān)節(jié)著地時(shí)的應(yīng)力分布明顯與站力情況不同（圖6）。股骨的中段仍然是受力最集中的區(qū)域，股骨下段應(yīng)力增大，股骨髁間應(yīng)力也增大[8-12]，股骨頸的應(yīng)力也有部分區(qū)域達(dá)到了25MPa，轉(zhuǎn)子間的應(yīng)力也增大不少。由股骨的變形云圖（圖7）可見，股骨變形程度最大的區(qū)域?yàn)橥鈧?cè)踝、內(nèi)側(cè)踝、踝間窩、內(nèi)側(cè)踝等區(qū)域。綜上所述，仿真計(jì)算結(jié)果與臨床上股骨中段骨折、股骨頸、轉(zhuǎn)子間骨折發(fā)生率相吻合。

3 ?討論

在骨骼生物力學(xué)建模與仿真中，采用基于CT的DICOM數(shù)據(jù)通過MIMICS等醫(yī)學(xué)圖像處理軟件進(jìn)行建模方法日趨成為主流[13-17]，但在建模中的有限元模型構(gòu)建存在很大的差異，目前主流的方法是才用逆向工程軟件比如Geomagic等軟件將人體骨骼模型由STL格式轉(zhuǎn)換成CAD格式，再構(gòu)建出骨骼模型[18-25]，其中，對皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨分別建模，在賦予材質(zhì)上采用各向同性的材料賦值法。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是非常有利于有限元模型的裝配、網(wǎng)格劃分、有限元軟件的導(dǎo)入，計(jì)算收斂方面也有很多的優(yōu)勢，成功率高。但是，由于人體骨骼的特殊性，使用多個(gè)軟件進(jìn)行往復(fù)導(dǎo)入，必然導(dǎo)致模型的信息丟失，而且容易造成模型的結(jié)構(gòu)與真實(shí)情況相差很大。3-matic是比利時(shí)Materialise公司開發(fā)的應(yīng)用于“解剖學(xué)CAD”的軟件，可以直接以stl格式進(jìn)行模型處理、網(wǎng)格劃分，減少逆向工程的往復(fù)導(dǎo)入，減少因往復(fù)導(dǎo)入導(dǎo)致的信息缺失的錯(cuò)誤，此外采用MIMICS自有的各向異性的基于灰度值的材料屬性賦予方法，相較于均質(zhì)法，更真實(shí)、更科學(xué)，更貼近人體真實(shí)情況。

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