摘要:本文实现了螺旋CT图像构建面颅骨三维有限元模型过程,用CT断层图像输入计算机,采用CT图像三维再现软件和CAD软件构建轮廓线,用非规则形体、有限元软件Ansys划分网格。此模型包括上颌骨、鼻骨、泪骨、颧骨。六面体与四面体的网格细化到平均尺寸6mm,四面体的网格细化到平均4mm。通过与前人实验的对比,可知该模型有一定的价值,并且对比了两种网格对于结果的影响。
关键词:面颅骨;图像处理;三维有限元;螺旋CT
1引言
随着社会的发展,计算机技术的进步,有限元素法已逐步发展成为工程中广泛应用的方法。在生物力学研究中,有限元法也是重要手段之一。它可对复杂几何形状物体建模,求得整体和局部的应力和位移值及其分布规律,并可根据需要改变受载与边界条件等力学参数,在维持原模型不变的情况下,可方便地对其应力大小和分布的变化进行对比分析。这种方法高效、精确、低成本,是一种实用、有效、方便的分析方法。
在交通创伤中,颅骨骨折是常见的创伤之一,随着现代化的进程的加快,交通、建筑业的发展以及运动损伤、意外事故和自然灾害等因素的存在,骨折的发生率持续增高。2002年,全世界约有118万人死于各类交通事故。我国因交通事故受害的人群也迅速上升。
本文成功地采用先进的医学CT,颅脑断层图像分析直接输入计算机,并且采用的CT图像三维再现软件和非规则形体有限元网格划分软件,自动划分单元进入计算机,图像逼真,全部实现了现代计算技术自动化。
由于实验手段的限制,早在20世纪60年代,国外就开始了交通事故中人体头部损伤相关问题的模拟计算研究。有限元仿真技术的效率决定了它将是这类研究工作的有效途径之一。20世纪70年代Engin和Bendict等采用弹性球壳和弹性薄膜代表头部,运用解析方法确定头部组织在外部载荷下的应力—应变响应。Bandak等用有限元方法研究了冲击加速度作用下的大脑应变变化过程。VanHoof等建立了一个完整的头部有限元结构模型,运用相互约束和接触滑动两种不同方法来处理颅骨和脑脊液的相互作用问题。
2 材料和方法
2.1.1 建模素材
选择1名健康男性青年志愿者作为模拟对象,对其头部进行CT扫描,获取用于建立三维有限元模型的相关资料。所获得的螺旋CT图像是以DICOM(Digital Imagingand Communica-tionsin Medicine)格式存储。DICOM是美国国家电气制造商协会制定的医学图像存储与通讯的标准格式,其图像要比从CT胶片扫描获得的图像清洁、方便又不会引起因人为处理所造成的坐标误差。
2.1.2 模型创建过程
头部有限元模型的建立过程是数字虚拟人体这一新学科的代表,是生命科学互相渗透、交叉结合的新事物之一。该模型的创建流程图见图1:
具体的软件处理过程是,首先将颅脑进行CT图像扫描,共计45张,然后用软件的图像处理系统把扫描图片输入计算机得到断层图像,通过提取颅骨的分界面,再把各层断面对齐,多层切片的“配准”,表面重建、表面显示,包括隐面消除、浓淡化、透明、旋转与剖面切割等。
再利用连线蒙面的方式,建立颅骨的外表面,再构建体,将实体保存为三维有限元前处理软件广泛接受的iges格式的文件。几何模型如图2所示:
在Ansys中进行三维有限元网格划分,单元类型为8节点六面体单元。自动划分后根据几何外形进行手动的单元平滑,提高几何相似性。
图 3、图 4 是建立的颅面骨三维有限元模型, 图 2 中共有1916个节点,1552个单元,图3中共有2968个节点,9760个单元。颅骨的材料属性见表1
2.1.3约束及加载
条件如下:载荷条件主要是利用前人的实验分析结果,对颧骨部位施加的载荷为2400N
3 颅面骨正面碰撞的有限元分析
由两个模型的分析结果可知, 对于图 5 中的最大应力值为2.87MPa, 图 6 中的最大应力值为 2.58MPa。
4结论
通过两个有限元模型的分析,我们可以得出以下结论:
1.从Nuhum的尸体实验可知,耐受值应在1.38～4.17MPa之间,从我们的实验中可知有限元分析的结果在此范围内,可见此模型有一定的应用价值。
2.通过两个有限元模型的比较可知,两者的相对误差超过了5%,可见对于有限元模型还是应该尽量采用六面体网格,以得到更加精确的解。
本文作者创新点在于用两个简单的模型反映了一定的问题,同时也证明了为什么诸多的研究者追求六面体网格的原因。但是在以后的研究中,利用完整的面骨三维有限元模型对脑损伤以及骨折做出更加精确的预测是非常有必要的。
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