一种腰椎后纵韧带六面体有限元模型的建模方法

摘要

本发明涉及一种腰椎后纵韧带六面体有限元模型的建模方法，其包括步骤：S1、对志愿者进行从腰1椎体到骶1椎体的CT三维重建扫描，获得Dicom图像数据文件；S2、基于Dicom图像数据文件应用MIMICS及3‑matic软件进行图像预处理，重建腰椎、椎间盘的空间几何模型；S3、将空间几何模型导入Geomagic软件中进行表面网格优化，在HYPERMESH软件中划分六面体网格，反复优化后生成体网格有限元模型，建立腰椎后纵韧带、黄韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带等周围固定组织；S4、将体网格有限元模型导入有限元分析软件ABAQUS中，进行腰椎、骶椎、椎间盘、韧带、肌肉的装配，并根据解剖结构的不同对各部分赋予不同的材料属性，施加载荷和边界条件进行分析计算。本发明对分析腰椎疾病发生因素、特别是后纵韧带对模型稳定性的影响有重要作用，为腰椎退行性疾病带来精确的数值解。

说明书

技术领域

本发明属于骨科脊柱医学技术领域，涉及一种腰椎后纵韧带建模的有限元模型，尤其涉及一种腰椎后纵韧带三维、六面体有限元模型的建模方法。

背景技术

随着生活条件的改善，人类寿命明显延长，腰椎退行性疾病也随之增多，患者就医需求的增加，已成为骨科、神经外科、疼痛科等相关专业医师面临的常见病、多发病。

目前，在研究腰椎退行性疾病的损伤机理方面主要采用的方法有体外、体内实验和数学模拟实验。由于“骨”具有不规则的材料特性，体外、体内实验和常规经典力学数学模型对体内力学特性的研究非常困难。而数学模拟实验中的“有限元分析法”能够将复杂的形状、材料属性和不同的载荷应用于模型中，很好地研究体内生物力学变化。

有限元分析法应用于骨科生物力学领域已有近50年的历史，已经成为非常重要的分析工具。在进行有限元分析前，需将模型进行一定的前处理，该步骤称之为建模，它是后期对模型进行计算分析的前提。目前，文献检索显示，尚无针对腰椎后纵韧带的三维建模的报道，也未检索到将腰椎、腰椎后纵韧带应用六面体有限元建模的相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种腰椎后纵韧带三维、六面体有限元模型的建模方法，建立腰椎、椎间盘、后纵韧带以及周围固定韧带的有限元模型，作为椎体及后纵韧带力学分析的前提基础，能够对其受力、位移、形变等得出计算分析结果。

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明拟使用医学图像逆向重建技术，将二维图像数据转换成能够展示人体全腰椎、椎间盘及后纵韧带等周围固定韧带的三维形态，并进行计算分析。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种腰椎后纵韧带六面体有限元模型的建模方法，包括如下步骤：

S1、对志愿者进行从腰1椎体到骶1椎体的CT三维重建扫描，获得CT数据，保存为Dicom图像数据文件；

S2、基于Dicom图像数据文件应用MIMICS及3-matic软件进行图像预处理，重建腰椎、椎间盘的空间几何模型；

S3、将空间几何模型导入Geomagic软件中进行表面网格优化，在HYPERMESH软件中划分六面体网格，反复优化后生成体网格有限元模型。在HYPERMESH软件中，建立腰椎后纵韧带、黄韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带等周围固定韧带，划分六面体网格，反复优化后生成体网格有限元模型；

S4、将体网格有限元模型导入有限元分析软件ABAQUS中，进行腰椎、椎间盘以及周围固定韧带的装配，并根据解剖结构的不同对各部分赋予不同的材料属性，施加载荷和边界条件进行分析计算。

优选地，S2的实现方法为：在MIMICS中应用阈值分割技术，分别生成腰椎、椎间盘以及周围固定韧带的mask；然后计算出腰椎、椎间盘以及周围固定韧带的实体几何模型。椎间盘实体几何模型需要在3-matic软件中建立，将在MIMICS建成的椎间盘实体几何模型椎体导入3-matic软件，利用Wave Brush Mark及Anatomy Reconstruction功能得出初始椎间盘几何模型，再利用布尔运算得出上下软骨终板、髓核及纤维环有限元模型。

本发明的建模过程为：基于志愿者的全腰椎CT数据文件，应用MIMICS及3-matic软件进行图像预处理，重建出腰椎、椎间盘的空间几何模型，再将其导入Geomagic软件中进行表面网格优化，在HYPERMESH软件中划分六面体网格，接着导入ABAQUS软件中进行装配及分析计算。在HYPERMESH软件中建立腰椎后纵韧带、黄韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带等周围固定韧带，划分六面体网格，接着导入ABAQUS软件中进行装配及分析计算。建立腰椎、椎间盘以及周围固定韧带的有限元模型，作为椎体及后纵韧带力学分析的前提基础。

(三)有益效果

本发明提供一种腰椎后纵韧带六面体有限元模型的建模方法，建立腰椎、椎间盘以及腰椎后纵韧带等周围固定韧带的有限元模型，作为椎体及后纵韧带力学分析的前提基础，能够对其受力、位移、形变等得出计算分析结果。

本发明通过三维重建扫描和图像预处理，重建腰椎、椎间盘，重建后纵韧带以及周围固定韧带的空间几何模型，并利用ABAQU软件进行腰椎、椎间盘以及腰椎后纵韧带等周围固定韧带的装配，对分析腰椎疾病发生时周围韧带力学因素,特别是对分析后纵韧带致模型稳定性的影响有着重要的作用。

本发明通过逆向重建模拟腰椎及后纵韧带的生物力学分析，可预演脊柱外科手术，对制定手术方案具有指导意义，能够达到更好手术效果；可重构术后结构，评估手术效果，帮助制定进一步治疗方案；可预演康复锻炼动作，个体化筛选术后适宜功能锻炼方案；可评估健身、保健，指导优化健身保健方法组合，提高人们保护腰椎的意识、减少后纵韧带、椎间盘等损伤。

附图说明

图1为Dicom图像数据文件导入MIMICS后的腰椎三视图；

图2为L4-5的椎间盘有限元模型；

图3为是Geomagic表面网格优化腰椎图；

图4为ABAQUS椎间盘、后纵韧带等装配及赋予不同材料属性施加载荷和边界条件分析计算图；

图5为本发明腰椎后纵韧带六面体有限元模型的建模方法的流程框图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不作为对本发明限制的依据。

本发明腰椎后纵韧带六面体有限元模型的建模方法如图5所示，包括步骤一至步骤四：

步骤一：对志愿者进行从胸椎到骶骨的CT三维重建扫描，获得CT数据，保存为Dicom图像数据文件。

步骤二：将采集到的Dicom图像数据文件导入MIMICS软件并打开,得到腰椎三维视图，如图1所示，为Dicom图像数据文件导入MIMICS后得到的腰椎三视图。利用3-matic软件进行图像预处理，通过智能分割功能分割出椎体骨组织轮廓，再对椎体图像进行边缘分割、选择性编辑、区域增长等处理形成蒙版。在MIMICS中的椎体后相应部位进行画图填充，得到后纵韧带初始模型，重建腰椎、椎间盘的空间几何模型。

基于Dicom图像数据文件重建腰椎、椎间盘的空间几何模型的步骤为：在MIMICS中应用阈值分割技术，分别生成腰椎、椎间盘的mask。然后计算出腰椎、椎间盘的实体几何模型。

椎间盘实体几何模型需在3-matic软件中建立，将在MIMICS建成的椎间盘实体几何模型椎体导入3-matic软件，利用Wave Brush Mark及Anatomy Reconstruction功能得出初始椎间盘几何模型，再利用布尔运算得出上下软骨终板、髓核及纤维环有限元模型。图2所示为在3-matic中通过布尔运算建立,由取交集、相减操作最终得到正常L4-5的椎间盘有限元模型。

经过MIMICS及3-matic软件得出的模型表面不够光滑，需对模型进行光滑处理。

步骤三：将空间几何模型以STL文件格式导入Geomagic软件中进行表面网格优化，通过松弛、删除钉状物、减少噪声、快速平滑处理等操作生成多边形；通过网格医生操作来分析和修复多边形网格，最终得到相对平滑的椎体、后纵韧带、上下软骨终板、髓核及纤维环。图3所示，为是Geomagic表面网格优化腰椎图，Geomagic中通过松弛、删除钉状物、减少噪声、快速平滑处理操作生成多边形。通过网格医生操作来分析和修复多边形网格。

为了后续的有限元计算更加精确,需要对模型进行进一步六面体网格划分，将已建立的所有三维模型分别导入HYPERMESH软件中，通过划分2D面网格及3D体网格来完成六面体网格划分。反复优化后生成体网格有限元模型。

在HYPERMESH软件中建立腰椎后纵韧带、黄韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带等周围固定韧带，划分六面体网格，通过划分2D面网格及3D体网格来完成六面体网格划分。反复优化后生成体网格有限元模型。

步骤四：将体网格有限元模型导入大型通用有限元分析软件ABAQUS中，进行腰椎、椎间盘、后纵韧带以及周围固定韧带的装配，并根据解剖结构的不同对各部分赋予不同的材料属性，施加载荷和边界条件进行分析计算。

ABAQUS有限元分析软件中进行装配，并赋予不同的材料属性，施加载荷和边界条件进行分析计算值如图4所示。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。