基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析

发布时间：2020-05-15 08:36

【摘要】：本文基于二维CT横断面数据、DICOM标准和Mimics软件实现人体骨骼三维重建,详细叙述了医学三维重建的整体思路和具体过程,无创性地重建正常儿童近端股骨、髋脱位儿童股骨与髋关节的复杂形态,所建模型细致逼真,形态还原性好,可以被任意旋转并从不同角度观察。本文运用Mimics和Ansys软件导入导出CT横断面数据并通过Ansys中的APDL语言编程、最终建立三维有限元模型。本文叙述了儿童股骨近端有限元模型和对其分配材料属性的过程,并根据CT值—表观密度—弹性模量间的经验关系定义材料特性参数。基于CT数据的股骨三维有限元建模方法,其优点包括：1可以充分利用CT数据所提供的关于股骨的几何形态和材料特性信息,保证有限元分析结果的精确性；2此方法的材料特性设置较以往分配单一材质的方法更能表现骨骼材料的非均匀性,并且该方法无需确定密质骨、松质骨和骨髓的分界面,可以大幅缩短建模时间。本文通过对正常儿童股骨近端和髋脱位股骨近端有限元应力分析,研究结果显示： (1)在相同载荷下髋脱位侧股骨最易变形,所以患有髋脱位和髋关节脱位术后的儿童应尽量使其避免受到过大的载荷,防止骨折现象的发生； (2)儿童股骨上段内、外侧尤其是股骨颈内侧相当于股骨距部位应力水平较高,该部位的骨皮质最厚而且密度最高,可以承受身体上部的重量在该部位形成的高应力而不致疲劳骨折。这种应力和骨密度分布方式既符合最基本的力学原理,又是Wolff定律的又一佐证,再次体现人体内各种组织结构和功能的一致性； (3)应变与应力相一致,根据应力云图可以看出股骨颈部位应力水平较高,当受到暴力时最易发生骨折的部位应为股骨颈处。在体育锻炼和骨折后治疗等方面应注重这些区段的保护。总之,本研究通过基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析,对比分析了患有髋脱位儿童股骨和发育正常儿童股骨在双腿站立、单腿站立以及不同状况下的生物力学变化特性,此研究结果能够有效评价发育性髋关节脱位股骨近端不同状况下的变化模式,十分有助于预测发育性髋关节脱位患儿股骨可能出现的畸形变化发展。三维有限元方法是一种简便实用的生物力学研究方法,可作为实验生物力学研究方法的验证和补充。
【图文】：

影像,螺旋扫描,方式

例如能区分脑脊液和脑组织及区分肿瘤与其周围的正常组织。这种革命性技术显著地改变了许多疾病尤其是颅内病变的诊断方式。在进行CT检查时(如图2.1所示)，水平轴状切面 (HorizontalAxialSeetion)是目前最常应用的断层面。断层层面的厚度与部位都可由检查人员决定。常用的层面厚度在1.0至101llnl间，移动病人通过检查机架，就能陆续获得能组合成身体架构的多张相接影像【’“’，切片越薄获得影像资料就越准确。螺旋扫捕轶迹X线翁X线扮远诱较遴乙乙乙图2.1螺旋扫描方式 Fig.2.1ModeofspiralCTscan

人体,分度,中密度,下界

人体组织的CT值界限可划分为4000个分度(灰度)，即一 1000一 +3000，上界为骨的CT值，下界为空气的CT值，而人体中密度不同的各种组织的CT值则居于一1000一+300OHu的4000个分度之间【”’，，如图2.2所示。例如，人体软组织的CT值高于空气而与水相近，故其CT值介于一IO00Hu~OHu之间。由于CT有高的密度分辨力，所以密度
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：R816.92

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