曹慧刘静郭文文莫海燕张俊忠

(1山东中医药大学理T学院山东济南；

2山东中医院山东济南)

摘要

目的：以成人肱骨为例，将医学图像三维重建技术和有限元方法结合应用于正骨手法研究，建立正常肱骨有限元模型，验证模型的有效性并进行生物力学分析。

方法：选择一位青年男性志愿者，对其上肢自尺桡骨上端至肱骨头进行连续断层扫描，得到CT图像，将CT数据导入MIMICS软件中，通过图像分割、三维重建和材料属性赋值，构建正常肱骨有限元模型，利用ANSYS软件进行力学分析，与文献中肱骨的生物力学数据相比较，以此验证模型的有效性。

结果：建立了正常肱骨三维几何模型和有限元模型利用ANSYS软件，对模型进行了有效性验证。所建模型物理特性与真实骨骼相近，能很好地反映骨骼的力学变化，实现手法的定量分析。

结论：所建立的肱骨模型外形逼真、在不同载荷下的应力值与相关文献一致，可用作中医仿真系统中的虚拟骨折模型

关键词：中医正骨；三维重建；有限元分析

前言

本文主要将医学图像三维重建技术和有限元分析方法有机结合，建立人体骨骼三维有限元模型并进行生物力学分析，为之后研究分析中医正骨手法作用下人体相关结构的生物力学改变，对手法操作过程中的力学特征进行数值化提取和分析提供研究基础。

近年来，随着数字医学发展，有限元方法在骨科研究中开始发挥重要作用。将计算机处理图像三维重建与有限元方法相结合用于中医正骨手法研究，可以将手法操作过程中的力学特征进行数值化提取和分析，不但可能精确量化手法的作用机制，也能作为一种客观评价初学者是否完全掌握手法操作特征的方式。临床上，肱骨骨折的发生率较高，故选择以肱骨为例，对其建立维有限元模型并进行力学实验模拟，为后期中医正骨手法研究中力学信息的研究做准备。

1材料与方法

1．1计算机

课题所用计算机操作系统为MicrosoftWindows7,处理器为Intel(R)Core(TM)i3,CPUM.67Hz,内存2.0G,硬盘G。

1.2数据来源数据来源为一健康青年男性志愿者,25岁,身高cm,体重62Kg采用东芝排动态容积CT机,对其上肢自尺桡骨上端至肱骨头进行连续断层扫描.层厚设为2mm,共得到张二维CT图像,将数据以DICOM格式保存并刻录成DVD光盘输出?

1.3肱骨几何模型建立

首先将建立的DICOM数据自动导入MIMICS软件,按照原始横断面、重组冠状面和重组矢状面三个视口显示。使用ProfileLine工具绘制一条通过分割对象的线段,根据灰度值沿剖面线的分布曲线,设定骨骼CT值为~之间,将目标区域与背景区域精确分割开来,得到骨组织或值分割界面如图1所示。

阈值分割后,将具有相似属性的相邻像素或区域,集中起来发展成更大的区域7选取肱骨上一点为种子区域,进行区域增长.断层图像中与肱骨灰度值相同的像素都被提取出,形成新的蒙板。由于尺桡骨与肱骨相连且灰度值相同,被包含在同一蒙板中所以要将其从肱骨中分割出来。同时"二值化"图像中存在不连续、不规则的孔洞,会影响目标信息的完整性。

因此,对尺桡骨和肱骨相连部分进行了擦除、对孔洞进行了修补,实现了手动精确分割。最后对编辑后的蒙板进行重建,得到如图2a所示肱骨几何模型。图中显示该模型表面不光滑,存在毛刺和凹凸不平,会增加后续计算负担,影响计算速度,故对模型进行了光顺(Smoothing)和包裹(Wrap)等表面优化处理,得到优化肱骨模型如图2b所示。

1.4有限元模型的建立

上述操作生成的三维几何模型是由三角面片组成的空腔结构,需要转化成实体结构才能进行有限元分析。通过对网格的形状密度等进行网格划分才能将几何模型的三角面片转化为由节点和单元组成的有限元网格模型。

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