基于CT的正常與骨質(zhì)疏松股骨模態(tài)分析

王汝良 張凱旋 胡霖霖

摘 ?要： 通過對志愿者人體股骨的CT影像數(shù)據(jù)進行圖像處理，獲得高精度的股骨三維模型，采用正向工程建立有限元模型，針對股骨的各向異性的材料特性，應(yīng)用股骨材料屬性經(jīng)驗公式 獲得正常股骨的材料屬性與骨質(zhì)疏松的股骨材料和屬性，利用ANSYS MODAL仿真軟件對正常股骨、骨質(zhì)疏松的股骨進行前6階模態(tài)計算，獲得前6階的股骨振動頻率。根據(jù)所得數(shù)據(jù)，可對股骨假體置換手術(shù)提供借鑒，應(yīng)避免與股骨的頻率相近而產(chǎn)生諧振。

關(guān)鍵詞： 股骨;模態(tài);正向工程;振動頻率

中圖分類號： TP319 ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.015

本文著錄格式：王汝良，張凱旋，胡霖霖，等. 基于CT的正常與骨質(zhì)疏松股骨模態(tài)分析[J]. 軟件，2019，40（4）：7780

【Abstract】： Through image processing of CT image data of human femur of volunteers， a high-precision three- dimensional model of femur is obtained. A finite element model is established by forward engineering. According to the anisotropic material properties of femur， the material properties of normal femur and the femoral material and properties of osteoporosis are obtained by using empirical formula of femoral material properties. The first 6 modes of normal femur and osteoporotic femur are calculated by using ANSYS MODAL simulation software to obtain the first 6 modes of femur vibration frequency. According to the obtained data， it can provide reference for femoral prosthesis replacement surgery and should avoid resonance caused by the frequency close to that of femur.

【Key words】： Femur; Modal; Forward engineering; Oscillation frequency

0 ?引言

髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)是人體的重要承重部位，也是關(guān)節(jié)損傷和炎癥的多發(fā)部位，假體置換是緩解人體關(guān)節(jié)嚴(yán)重失效的常用方法之一[1-3]。由于置換假體涉及到非常復(fù)雜的生物力學(xué)，置換的假體會與髖關(guān)節(jié)生理載荷發(fā)生響應(yīng)，造成一般的實驗手段無法準(zhǔn)確的測定。隨著計算機硬件和有限元理論的發(fā)展，利用計算機模擬來建立更接近真實形態(tài)股骨生物力學(xué)模型，對于置換假體的優(yōu)化設(shè)計提供了很重要的參考[4]。目前，在骨骼建模中，多數(shù)學(xué)者應(yīng)用CAD逆向建模技術(shù)三維重建出模型，但是由于 CAD 軟件曲面擬合效果帶來很多的誤差，不同軟件之間的切換、導(dǎo)入，容易導(dǎo)致模型的信息丟失，而且建模費時，費力，因此建模結(jié)果的準(zhǔn)確性會影響后續(xù)的計算結(jié)果。在材料方面，多數(shù)學(xué)者采用皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨分開建模、分別賦予均質(zhì)、各向同性的材料屬性，甚至有的采用一種材料屬性，這種方法與真實的股骨材料特性差距較大。本文采用的是0.5 mm層厚的股骨CT圖像DICOM數(shù)據(jù)進行三維建模，利用MIMICS的高級分割功能、計算三維工具，提取出股骨的三維模型，并通過解剖學(xué)CAD軟件3-matic對模型進行光順等編輯處理，利用SimLab強大的網(wǎng)格劃分功能進行網(wǎng)格劃分，材料方面，應(yīng)用基于CT灰度值技術(shù)賦予股骨10種各向異性的非均質(zhì)股骨材料屬性[5，6]，以模擬股骨的實際力學(xué)特性。

1 ?材料與方法

1.1 ?基于CT的股骨DICOM數(shù)據(jù)資料

數(shù)據(jù)來源：經(jīng)志愿者本人同意，并簽署知情同意書，采集男性、年齡41周歲的志愿者股骨CT影像DICOM格式數(shù)據(jù)。掃描設(shè)備為東軟公司NMS/ NeuViz 128排CT機，矩陣：512×512;電壓：120 kv;層距：0.5 mm;層數(shù)：1206。本實驗經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，符合倫理學(xué)規(guī)定;圖像后處理工作站：戴爾Precision T7810：Xeon E5-2609 v3 中央處理器、nVIDIA Quadro k2200圖像顯卡;16G內(nèi)存;圖像處理及分析軟件：Mimics 21.0、3-matic 13.0（比利時Materialise公司醫(yī)學(xué)圖像處理軟件和解剖學(xué)CAD軟件）;SimLab 2017（美國Altair公司有限元分析前處理軟件）;Ansys Workbench 18.0（美國ANSYS公司大型有限元仿真軟件包）。

1.2 ?方法

本實驗采用正向工程方式建立有限元模型，采用各向異性、非均質(zhì)的方式賦予材料屬性。具體流程為（圖1）。

1.2.1 ?股骨模型三維重建與網(wǎng)格劃分

利用MIMICS 21.0軟件導(dǎo)入股骨CT影像DICOM數(shù)據(jù)，使用CT Bone Segmentation功能，將所選擇的股骨提取出來，并初步進行光滑等處理，直接導(dǎo)入3-matic13.0軟件中，對其進行補洞、光滑、修復(fù)三角面片缺陷以及初步劃分面網(wǎng)格等。經(jīng)上述操作后，將股骨模型導(dǎo)入有限元分析前處理軟件SimLab 2017中，進行網(wǎng)格劃分。SimLab軟件網(wǎng)格劃分功能強大，是一個面向流程，基于幾何特征的有限元建模軟件。應(yīng)用SimLab軟件劃分股骨stl格式的模型，省略了其他逆向工程的有限元建模過程，即采用逆向工程軟件將stl格式的文件通過Geomagic等逆向工程軟件轉(zhuǎn)換成以點、線、面為結(jié)構(gòu)的CAD軟件格式（如.step、parasolid）。相較于逆向工程的建模方法，本建模模式可有效的保證了模型的結(jié)構(gòu)完整性、更接近于真實的模型結(jié)構(gòu)、減少不同軟件切換而導(dǎo)致的幾何信息丟失問題。使用SimLab 2017劃分股骨四面體網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為390146、單元數(shù)為266073，單元類型為Solid187。

1.2.2 ?股骨材料賦予

1）正常股骨的材料賦予

2）骨質(zhì)疏松股骨的材料賦予

以正常的股骨的彈性模量減少66%，泊松比保持不變?yōu)闂l件賦予股骨材質(zhì)，模擬形成骨質(zhì)疏松股骨有限元模型[8-10]。

1.2.3 ?股骨的振動模態(tài)計算

本實驗將股骨視為無阻尼的振動系統(tǒng)，同時按照自然股骨的生理狀態(tài)，約束股骨頭部所有節(jié)點的 3個方向的平動自由度，保留其3個方向的轉(zhuǎn)動自由度（髖關(guān)節(jié)位置）;約束股骨髁間窩處節(jié)點的3個平動自由度和繞y、z軸的轉(zhuǎn)動自由度，僅保留其繞 x軸的轉(zhuǎn)動自由度（膝關(guān)節(jié)位置）。分別對骨質(zhì)疏松股骨和正常股骨進行6階模態(tài)計算。

2 ?結(jié)果

將股骨的模型定位在空間坐標(biāo)OXYZ的坐標(biāo)系中，XOY面為股骨的橫斷面，XOZ 面為矢狀面，YOZ面為冠狀面。由圖2、圖3可見，股骨的6階陣型主要是彎曲和扭轉(zhuǎn)，分布在股骨的第1階振型（矢狀面內(nèi)）與第2階振型（冠狀面內(nèi)）都是1階

彎曲;第3階振型（矢狀面內(nèi)）與第4階振型（冠狀面內(nèi)）都是2階彎曲;第5階振型為沿股骨長軸的2階扭轉(zhuǎn);第6階振型為空間的2階扭轉(zhuǎn)。從基頻開始股骨振型趨于復(fù)雜，彎曲、扭轉(zhuǎn)的復(fù)合使得股骨產(chǎn)生微動位移。股骨的前兩階振型中，股骨的位移最大部位為股骨中段、上段，股骨踝也出現(xiàn)較大位移。從表1的正常股骨6階頻率與骨質(zhì)疏松股骨6階頻率對比發(fā)現(xiàn)，正常的股骨振動頻率都要比骨質(zhì)疏松股骨的頻率高。

3 ?討論

本文通過對股骨CT影像DICOM數(shù)據(jù)進行三維重建，獲得股骨的三維模型，利用3-matic軟件的模型修復(fù)功能，對模型進行三角面片優(yōu)化、光順，利用SimLab軟件對模型進行四面體網(wǎng)格劃分，獲得質(zhì)量較高的有限元模型，應(yīng)用彈性模量差異性模擬正常股骨和骨質(zhì)疏松股骨的材料屬性，最后應(yīng)用ANSYS MODAL分別對股骨進行模態(tài)振動仿真計算，提取出股骨的固有6階振型頻率。通過基于灰度值賦予材料屬性、基于正向工程構(gòu)建有限元模型，可以獲得較為準(zhǔn)確的材料分布特性[11-14]，減少因不同軟件的文件導(dǎo)入造成模型信息缺失而降低準(zhǔn)確準(zhǔn)確性，又可以保證高度不規(guī)則模型的網(wǎng)格劃分質(zhì)量，進而有利于提高模態(tài)計算的精度[15-17]。股骨的振動特性為股骨的假體優(yōu)選提供了指導(dǎo)，在使用置換假體的過程中應(yīng)避開股骨的固有頻率。

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