基于CT扫描之颅底三维有限元模型的建立和初步应用

摘要

目的:
　　 1.在普通PC机上建立颅底的局部三维可视化数字模型,准确反映其复杂的解剖结构及空间毗邻关系,为临床诊断和教学提供可靠的解剖学资料,也为今后的虚拟手术打下良好的基础。
　　 2.建立颅底的三维有限元模型,探讨人从高处坠落足或臀着地时,间接暴力由脊椎传导到颅底造成颅底骨折的生物力学基础及颅底骨折的好发部位。
　　 方法:
　　 1.选择一名健康成年女性作为研究对象,通过螺旋CT(GE MEDICALSYSTEMS/Light Speed16)扫描,得到样本的DICOM标准图像,层厚0.625mm,共145幅,分辨率为512×512像素。
　　 2.利用医用图像与三维重建软件MIMICS10.01(Materialise公司,比利时)的图像导入(Import Images)功能将CT图像以DICOM格式导入,自动生成冠状面和矢状面图像,利用软件自带的阈值设定工具(Thresholding)提取轮廓,界定阈值在226～3071Hu,形成蒙面(Mask)。利用区域增长工具(Region growing)选择热区,逐层删除位于其他部位具有和骨骼相同灰度的组织处的标记,并手工补全骨骼中未被标记的部分。点击Segmentation下拉菜单中的Calculate3D生成颅底的三维可视化模型。
　　 3.为减小计算量,将前面生成的颅底三维可视化模型简化,去掉面颅部分,仅保留颅底。之后,利用MIMICS软件中FEA模块中的网格重划功能优化面网格。将简化、优化后的模型直接输出为ANSYS可识别的格式(.lis)。
　　 4.将生成的三维可视化模型导入有限元分析软件ANSYS10.0(ANSYS公司,美国)中,在前处理模块(Preprocessor)中将已经导入的面网格模型划分成体网格,保存为.db格式。定义单元类型为3维10节点四面体结构实体(Solid92),根据文献报道中模型材料参数确定本实验颅底相应参数为:杨氏模量E=8000 Mpa,泊松比为0.22,密度为1800 kg/m3。应用ANSYS中智能尺寸网格划分功能进行网格划分,局部部位实行细化(Mesh Refinement),进行控制,最终得到颅底的三维有限元模型。
　　 5.利用作用力与反作用力相等的原理,约束颅底模型上端所有自由度。分别以100N、200N、300N、400N的力量自下向上作用于枕髁,计算结束后,进入后处理模块读取数据并显示应力等值线图。得到不同大小的间接暴力作用于颅底时的应力分布图。
　　 结果:
　　 1.基于CT扫描图像,利用MIMICS软件,建立了颅底的三维可视化数字模型。颅底模型内面观,可见前、中、后3个颅窝自前向后由浅及深呈阶梯状排列,颅前窝可见鸡冠及两侧为筛骨筛板,颅中窝中部狭窄,可见视神经管、垂体窝、鞍背,颅中窝两侧部可见眶上裂、圆孔、破裂孔、卵圆孔和棘孔,颅后窝可见枕骨大孔、斜坡、枕内隆突、横窦沟和乙状窦沟、颈静脉孔及内耳门;颅底模型外面观,高低不平,前方可见颧弓及其后方的下颌窝和关节结节,中部可见由内向外依次排列的破裂孔、卵圆孔和棘孔,后部可见枕骨大孔、枕髁、颈静脉窝、颈动脉管、茎突、乳突等结构;颅底模型侧面观,可见颧弓、外耳门、乳突等结构。该模型外形逼真,视觉效果良好,不仅准确的反映了颅底复杂的解剖结构,而且可以随意旋转,以任意角度观看,为临床诊断和教学提供了可靠的解剖资料,也为今后的虚拟手术打下了良好的基础。
　　 2.建立了由额骨、蝶骨、筛骨、颞骨、枕骨等共同组成的颅底的实体模型,由于成年人骨缝闭合,所以将其视为一个整体。对实体模型划分网格,得到颅底的三维有限元模型,共有51053个单元,80273个节点。
　　 3.本文主要探讨的是人从高处坠落,足或臀着地时,力由脊柱传导到颅底造成颅底骨折的生物力学基础及颅底骨折的好发部位。利用作用力与反作用力相等的原理,本试验将颅底模型的上部固定,将力量直接作用于枕髁,得到给不同力量时的应力分布图。通过应力分布图可以观察到,当力量为100N时,应力主要集中在眶上裂、颈静脉孔、卵圆孔等;当力量为200N时,应力集中部位除上述孔(裂)周围外,还分布到颞骨岩部;当力量为300N时,应力集中部位又增加了额骨眶板;当力量为400N时,应力集中部位在上述部位均有扩大。
　　 结论:
　　 1.本研究建立的颅底的三维可视化模型,准确的反映了颅底复杂的解剖结构,为临床诊断提供了可靠的解剖资料,也为今后的模拟手术打下良好的基础。
　　 2.建立的颅底有限元模型,外形逼真,几何相似性好,可以用来进行生物力学研究。
　　 3.通过有限元分析得出,颅底遭受外力作用于枕髁时,应力主要分布于眶上裂、颈静脉孔、卵圆孔等孔(裂)周围和颞骨岩部、额骨眶板等骨质较薄处,而在骨板相对较厚且较平整的颅后窝分布较少,与临床上颅底骨折常见于颅前窝和颅中窝的事实完全相符。

目录

文摘

英文文摘

前言

材料与方法

结果

附图

讨论

结论

参考文献

综述:有限元法在颅脑损伤中的应用

致谢

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