鎖骨的數(shù)字可視化模型研究

王玉嬌，錢秋紅，孟振華，李孝林 (長江大學(xué)醫(yī)學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

鎖骨的數(shù)字可視化模型研究

王玉嬌，錢秋紅，孟振華，李孝林 (長江大學(xué)醫(yī)學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

目的：研究鎖骨數(shù)字可視化模型建立方法，為鎖骨的數(shù)字化研究提供模型。方法：正常成人志愿者1名，對其鎖骨進(jìn)行層厚0.625mm，間距為0的CT連續(xù)掃描，所得圖片以Dicom格式刻盤保存，導(dǎo)入Mimics軟件建立三維數(shù)字幾何模型，并進(jìn)行相關(guān)解剖學(xué)測量研究，將幾何模型導(dǎo)入ANSYS軟件建立有限元模型并進(jìn)行生物力學(xué)研究。結(jié)果：重建的鎖骨三維幾何模型和有限元模型外形逼真、生物力學(xué)響應(yīng)真實，可進(jìn)行解剖學(xué)測量和生物力學(xué)研究。結(jié)論：本研究所建立的鎖骨數(shù)字化模型可被用于鎖骨的數(shù)字化研究。

鎖骨；三維重建；模型；解剖學(xué)

鎖骨連接肩胛帶和軀干，有穩(wěn)定上肢帶的作用，其外形呈“S”型，極不規(guī)則，缺乏固有的髓腔，周圍缺乏軟組織的保護(hù)。正是因為其解剖結(jié)構(gòu)的特殊性，臨床上鎖骨骨折發(fā)病率較高[1]，而且其治療失敗率也較高[2]。鎖骨還可以作為供骨用于臨近骨組織的缺損以及感染的治療[3]。以往對鎖骨的研究多借助尸體標(biāo)本，在數(shù)字醫(yī)學(xué)不斷發(fā)展的今天，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)研究骨骼、人體越來越顯現(xiàn)出優(yōu)勢，本研究在以往研究的基礎(chǔ)上重建了鎖骨的幾何數(shù)字模型和有限元模型，并進(jìn)行了有關(guān)數(shù)字解剖、生物力學(xué)的初步研究，探討鎖骨的數(shù)字研究方法。

1 資料與方法

1.1原始資料采集

男性健康志愿者1名(25歲，身高177cm，體質(zhì)量70kg)，簽訂知情同意書后行X線檢查排除骨骼異常情況，用Philips64螺旋CT對左側(cè)鎖骨沿橫斷面連續(xù)掃描。掃描條件：選擇骨組織窗，電壓120kV，像素0.43mm，層厚0.625mm，共228層。掃描數(shù)據(jù)以Dicom3.0標(biāo)準(zhǔn)直接存入光盤備用。

1.2建模環(huán)境

電腦配置:AMDAthlon64 3200+中央處理器、2G內(nèi)存、19寸液晶顯示器、64M顯存、ATI 8550顯卡、Windows XP/Professional操作系統(tǒng)；軟件:醫(yī)學(xué)3D圖像生成及編輯處理軟件Mimics 10.01、大型有限元分析軟件Ansys10.0。

1.3幾何數(shù)字模型的建立

以Mimics軟件讀入Dicom格式的CT原始圖像，經(jīng)圖像定位、組織圖片、內(nèi)插值處理，界定骨組織閾值在226～1476HounsField單位，軟件自動形成各層面骨組織表面輪廓線，行圖像邊緣分割出鎖骨，圖像經(jīng)編輯、補(bǔ)洞處理，去除無關(guān)邊緣雜點和冗余數(shù)據(jù)，經(jīng)區(qū)域增長，選擇Custon 3D計算方式計算建立鎖骨幾何模型。

1.4有限元模型的建立

將生成的鎖骨幾何模型在Mimics內(nèi)進(jìn)行面網(wǎng)格的精度精減，重新計算3D后減少網(wǎng)格三角形數(shù)量，將精減后面網(wǎng)格定義為后綴名.lis的ANSYS文件。Ansys10.0讀入鎖骨三維面網(wǎng)格模型，首先生成大體，添加單元，定義單元大小后自動劃分單元，利用Mimics軟件中FEA模塊的material功能根據(jù)骨骼結(jié)構(gòu)的CT值應(yīng)用相關(guān)經(jīng)驗公式自動分級賦值，其材質(zhì)被定義為10級。將賦值后的模型讀入到Ansys10.0中即生成鎖骨的有限元模型。

1.5數(shù)字解剖學(xué)研究

以Mimics10.0軟件的三維測量功能對每個重建標(biāo)本分別測量內(nèi)外側(cè)兩個凸出的角度，外側(cè)端、中外1/3交界處、中內(nèi)1/3交界處以及內(nèi)側(cè)端四點的上下徑和前后徑。

1.6生物力學(xué)分析

將建立的有限元模型內(nèi)側(cè)段(胸骨端)節(jié)點約束(設(shè)定各方向位移為0)，給予模型外側(cè)端(肩峰端)一個大小為1480N、方向朝向內(nèi)側(cè)的集中載荷力。

2 結(jié) 果

分別建立了鎖骨的幾何數(shù)字模型和有限元模型(見圖1、圖2)，其解剖測量見圖3，生物力學(xué)分析結(jié)果見圖4。

圖1 鎖骨的幾何數(shù)字模型 圖2 鎖骨的有限元模型

圖3 鎖骨的數(shù)字解剖測量

圖4 鎖骨的力學(xué)分析

3 討 論

3.1數(shù)字骨科的優(yōu)勢

數(shù)字骨科學(xué)是近幾年來隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展而提出的一個概念，經(jīng)過基礎(chǔ)和臨床的不斷探索，已取得了不少的成績。其利用數(shù)字化研究手段，主要用于骨折生物力學(xué)、骨折的三維診斷、手術(shù)模擬、快速成型、個性化醫(yī)療產(chǎn)品和輔助設(shè)計等領(lǐng)域。隨著應(yīng)用的不斷深入，其優(yōu)勢不斷體現(xiàn)。在生物力學(xué)方面通過建立有限元模型，可以任意施加載荷，其所建模型可被重復(fù)應(yīng)用，分析結(jié)果可以多種形式顯示，和傳統(tǒng)生物力學(xué)研究方法最大的不同就是可以顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。通過建立病人骨折的數(shù)字模型可以更加全面的了解骨折的類型，而且可以隨意旋轉(zhuǎn)、剖切，使骨折的診斷更加精確、全面。通過建立骨骼模型并快速成型做成樣品，可進(jìn)行術(shù)前模擬，使術(shù)者做到心中有數(shù)，從而保證手術(shù)的效果，尤其是比較難的骨腫瘤切除、畸形矯形、功能重建等手術(shù)通過術(shù)前模擬能大大節(jié)約手術(shù)時間、減少手術(shù)失誤[4]。隨著人們生活水平的提高，對醫(yī)療質(zhì)量的要求越來越高，個性化的醫(yī)療服務(wù)越來越被重視，在骨科手術(shù)中，個性化的內(nèi)固定器械更利于手術(shù)的操作和患者功能的恢復(fù)，利用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行個性化醫(yī)療器械的設(shè)計使這一要求變成現(xiàn)實。

3.2鎖骨的數(shù)字研究現(xiàn)狀及展望

鎖骨是骨骼創(chuàng)傷的多發(fā)部位，骨折的治療失誤率較高，為了更好地治療鎖骨骨折，不少研究者從基礎(chǔ)和臨床進(jìn)行了廣泛研究，涉及到解剖、生物力學(xué)、內(nèi)固定器械的設(shè)計等多個方面[5-6]，研究的方式從傳統(tǒng)的尸體標(biāo)本研究到數(shù)字研究。隨著數(shù)字骨科學(xué)的發(fā)展，鎖骨的數(shù)字化研究也取得了很大的發(fā)展，建立的數(shù)字模型更加精確，建模的方法更加簡捷，所建模型被用于鎖骨的骨性解剖研究、鎖骨骨折的生物力學(xué)研究以及鎖骨骨折的內(nèi)固定材料研究等方面[7-8]。但由于數(shù)字骨科尚處于起步階段，鎖骨的數(shù)字研究尚需進(jìn)一步深入，比如有限元模型的真實性尚待進(jìn)一步提高。

3.3本研究所建模型的優(yōu)點

本研究通過分別建立鎖骨的幾何數(shù)字模型和有限元模型進(jìn)行相關(guān)解剖和生物力學(xué)研究，其所得結(jié)論科學(xué)有效，從而證明了所建模型的有效性。本研究建模的原始資料來源于健康成人，通過精細(xì)CT掃描保證建模資料的完整性，從而保證了所建模型的真實性，使其研究結(jié)果更具說服力。本研究建?；居捎嬎銠C(jī)生成，極少摻雜人為因素的干擾，從而最大程度的避免了研究者個人對模型的影響，減少了模型的主觀性，增加了其客觀性，使模型更具有代表性。本研究所見有限元模型在賦值時將材料特性分為10級，依據(jù)原始資料的CT值進(jìn)行定義，使模型的材料特性更加復(fù)雜，避免了以往建模簡單地將材質(zhì)定義為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的不足，從而使模型的材料特性更加接近于真實。

數(shù)字模型是對真實地模擬，由于受各方面條件的影響，所有模型和真實之間尚有一定的差距。本研究所建鎖骨數(shù)字模型也還需進(jìn)一步改進(jìn)，尤其是有限元模型，其材料特性不能達(dá)到各向異性，其賦值方法、建模軟件還需不斷更新，使模型的仿真程度更高。

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10.3969/j.issn.1673-1409(R).2012.07.033

R323.24

A

1673-1409(2012)07-R071-03

2012-05-150

國家創(chuàng)新性實驗計劃資助項目(101048907)；荊州市科技局計劃項目(2011)

王玉嬌(1989-)，女，湖北襄陽人，主要從事數(shù)字醫(yī)學(xué)研究工作;通訊作者：李孝林(1976-)，E-mail：peterlee869@163.com。

[編輯] 何 勇