基於醫學圖像數據liss-df治療股骨遠端骨折的三維有限元模型的構建方法

2023-12-08 14:14:56 1

基於醫學圖像數據liss-df治療股骨遠端骨折的三維有限元模型的構建方法
【專利摘要】本發明提出基於醫學圖像數據LISS-DF治療股骨遠端骨折的三維有限元模型構建方法，採用CT斷層掃描獲取LISS鋼板及正常羊股骨的斷層圖像數據：三維醫學圖像分割、輪廓特徵點提取及數據輸出：表面幾何模型初步構建：三維實體幾何模型構建：建立基於醫學圖像生成實體幾何模型，編輯基於醫學圖像生成的幾何模型,建立基於置釘原則生成螺釘實體幾何模型：三維有限元模型構建：最終分別生成羊股骨以及近端螺釘不同組合固定方式治療股骨骨折的多個四面體有限元模型。本發明包含完整羊股骨、股骨遠端骨折和LISS-DF鋼板的三維有限元模型，以及分別給予鋼板近端螺釘單雙皮質不同組合固定方式治療股骨遠端骨折的三維有限元模型。本發明能快速、精確地建立LISS-DF近端螺釘單雙皮質不同組合固定方式治療股骨遠端骨折的三維有限元模型，大大提高了建模的速度以及模型的質量。
【專利說明】基於醫學圖像數據LISS-DF治療股骨遠端骨折的三維有限 元模型的構建方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種羊骨組織及內固定裝置的三維有限元模型構建方法，特別是基於 醫學圖像數據LISS-DF治療股骨遠端骨折的三維有限元模型的構建方法。

【背景技術】
[0002] 隨著我國交通運輸及建築業飛速發展，交通事故、高空跌落、重物砸傷等高能量暴 力創傷導致的股骨遠端骨折近年來驟增，該疾患下肢創傷較為嚴重、複雜，骨折復位、固定 較為困難，所以臨床處理較為棘手，療效較差，甚至導致肢體縮短和膝關節功能障礙等。
[0003] 由於股骨遠端骨折多為高能量損傷所致的粉碎性、不穩定性骨折，且常累及關節， 因此採用傳統切開復位內固定方法治療股骨遠端骨折，創傷較大，固定不堅強，併發症較 多。而新型微創內固定系統LISS (Less Invasive Stabilization System)結合了帶鎖髓 內釘技術和生物學接骨板技術的優勢，具有創傷小、穩定性強、符合生物力學等優點。
[0004] 股骨遠端LISS鋼板有效固定的技術關鍵是選擇具有良好貼附性能的鋼板和有效 的螺釘固定。因此，固定失敗主要是由於鋼板與股骨遠端骨面貼合不緊密，螺釘與皮質骨咬 合不佳。具體表現為螺釘長度不足或擰入深度不夠(單皮質固定)，未穿透對側皮質，螺釘抗 拔出力減弱，產生偏心力，從而導致固定不穩定。而螺釘過長穿透對側皮質(雙皮質固定)， 也可能會造成對側軟組織及重要血管神經的損傷。此外，單純術前X片或術中C臂定位，往 往只能獲得二維圖像，定位不準確，且增加患者和醫生的輻射劑量。
[0005] 因此較為系統地進行對股骨遠端LISS鋼板固定的配準與螺釘不同固定方式 的組合的相關研究具有重要的臨床意義。此發明正基於此，基於醫學圖像數據建立 LISS-DF(Less Invasive Stabilization System - Distal Femur)治療股骨遠端骨折的 三維有限元模型，為後續的生物力學分析、臨床上近端螺釘不同固定方式的選擇以及LISS 鋼板設計改進提供參考依據。
[0006] 有限元法能對複雜的結構、形態、載荷和材料力學性能進行應力分析和比較，具有 成本低、風險小、可重複性強等優點。人體骨組織及其內固定系統，具有外形不規則、內部結 構複雜的特點，傳統方法根本無法精準地對其應力分析，應用三維有限元法分析，則可準確 和全面地得到骨組織和固定系統各部件的應力結果。而有限元法分析結果的準確性取決於 所建模型的精確程度，因此，如何快速、精確地對人體骨組織及內固定植入物系統進行計算 機仿真模擬，建立三維有限元模型已成為國內外學者研究的熱點和難點。


【發明內容】

[0007] 本發明的目的在於提供一種基於醫學圖像數據LISS-DF治療股骨遠端骨折的三 維有限元模型的構建方法，解決採用現有CT (Computed Tomography)掃描無法獲取三維空 間信息，螺釘不同組合固定方式治療股骨遠端骨折模型建立過程複雜，鋼板、螺釘與股骨的 位置配準困難等問題，精確建立LISS-DF近端螺釘單雙皮質不同組合固定方式治療股骨遠 端骨折的三維有限元模型。
[0008] 本發明提出的基於醫學圖像數據LISS-DF治療股骨遠端骨折的三維有限元模型 構建方法，具體步驟如下： (1) 採用CT斷層掃描獲取LISS鋼板附於正常羊股骨的斷層圖像數據： 將LISS鋼板附於正常羊股骨外側，採用螺旋CT機由羊股骨頭近端向遠端垂直於股骨 縱軸進行掃描，掃描層厚小於或等於1mm，將掃描得到的標準DICOM格式數據轉換為jpeg格 式保存輸出； (2) 三維醫學圖像分割、輪廓特徵點提取及數據輸出： 將步驟（1)得到的LISS鋼板附於正常羊股骨外側的CT斷層圖像導入開源軟體Image J(美國國立衛生研究院，National Institutes of Health)，首先對羊股骨圖像和LISS-DF 鋼板圖像分別進行圖像變換、圖像增強和閾值化處理，然後分別選定羊股骨和LISS-DF鋼 板圖像中目標區域的範圍，最後對選定區域內的目標邊界進行邊緣提取，將得到的輪廓點 的坐標以txt格式分別存儲； (3) 表面幾何模型初步構建： 在Rhinoceros 4.0軟體（美國，Robert McNeel & Associates公司）中分別導入步驟 (2)得到的完整羊股骨及LISS-DF鋼板的輪廓點坐標的txt文件，選定輪廓點生成曲線，建 立曲面，並以STL文件格式分別導出，分別得到完整羊股骨和LISS-DF鋼板的STL文件； (4) 三維實體幾何模型構建： 在通用有限元網格劃分軟體HyperMeshl2. 0 (美國，Altair公司）中進行如下操作： ① 基於醫學圖像生成實體幾何模型：首先導入步驟（3)所生成的完整羊股骨的STL文 件，分別基於羊股骨的表面網格生成多個曲面，建立幾何模型，單獨存儲為一個組件；然後， 對LISS-DF鋼板進行同樣的操作，生成相應的幾何模型，同樣的，單獨存儲為一個組件； ② 編輯基於醫學圖像生成的幾何模型：對正常羊股骨模型進行切割，生成相應的羊股 骨骨折幾何模型組件； ③ 基於置釘原則生成螺釘實體幾何模型：根據幾何尺寸建立螺釘表面的曲線，然後基 於曲線生成曲面，最終建立螺釘的三維幾何模型，根據置釘原則，分別生成可同時穿過羊股 骨幹內外側骨皮質的螺釘模型組件，即雙皮質固定，用"雙"表示，和僅穿過羊股骨幹外側骨 皮質的螺釘模型組件，即單皮質固定，用"單"表示，每個螺釘分別存儲於不同組件中； (5) 三維有限元模型構建： 在軟體HyperMesh中，按需要選取不同實體幾何模型組件進行裝配，生成多個模型， 所述模型含完整股骨模型，股骨遠端骨折模型，LISS-DF鋼板模型，以及近端螺釘不同組合 固定方式治療股骨骨折的模型，每一模型均由多個組件組成，對每個模型分別實施以下操 作： ① 針對一個組件，基於所有曲面生成2D殼單元； ② 不同組件之間交界面節點進行節點耦合以實現組件之間的連接； ③ 在每個組件內部創建四面體單元。
[0009] 最終分別生成完整羊股骨以及近端螺釘不同組合固定方式治療股骨骨折的多個 四面體有限元模型。
[0010] 本發明的有益效果： 本發明包含完整羊股骨、股骨遠端骨折和LISS-DF鋼板的三維有限元模型，以及分別 給予鋼板近端螺釘單雙皮質不同組合共12種固定方式治療股骨遠端骨折的三維有限元模 型。本發明應用Image J軟體、Rhinoceros軟體和HyperMesh軟體可以快速、精確地建立 LISS-DF近端螺釘單雙皮質不同組合固定方式治療股骨遠端骨折的三維有限元模型，大大 提高了建模的速度以及模型的質量，所建立模型可為不同股骨遠端骨折情況的近端螺釘不 同固定方式的優選提供依據，為進一步的生物力學分析、內植物的個性化設計以及手術方 案的可行性提供了依據和方法學參考。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1是正常股骨三維有限元模型(模型一）後視圖； 圖2是LISS-DF鋼板三維有限元模型(模型二）及其釘孔編號； 圖3是在股骨遠端間距為I. 8cm的33-A3型骨折三維有限元模型(模型三）後視圖； 圖4是在股骨遠端間距為I. 8cm的33-A3型骨折三維有限元模型(模型三）側視圖； 圖5是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘全雙皮質固定三維有限元模型(模型 四）後視圖； 圖6是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘全雙皮質固定三維有限元模型(模型 四）側視圖； 圖7是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘單、雙、雙、雙固定三維有限元模型 (模型五）後視圖； 圖8是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘單、雙、雙、雙固定三維有限元模型 (模型五）側視圖； 圖9是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘單、單、雙、雙固定三維有限元模型 (豐旲型7K)後視圖； 圖10是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘單、單、雙、雙固定三維有限元模型 (模型六）側視圖； 圖11是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘單、單、單、雙固定三維有限元模型 (豐吳型七）後視圖； 圖12是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘單、單、單、雙固定三維有限元模型 (模型七）側視圖； 圖13是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘雙、單、單、單固定三維有限元模型 (豐旲型八）後視圖； 圖14是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘雙、單、單、單固定三維有限元模型 (模型八）側視圖； 圖15是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘雙、雙、單、單固定三維有限元模型 (豐吳型九）後視圖； 圖16是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘雙、雙、單、單固定三維有限元模型 (模型九）側視圖； 圖17是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘雙、雙、雙、單固定三維有限元模型 (模型十）後視圖； 圖18是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘雙、雙、雙、單固定三維有限元模型 (模型十）側視圖； 圖19是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘單、雙、單、雙固定三維有限元模型 (豐旲型十一）後視圖； 圖20是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘單、雙、單、雙固定三維有限元模型 (模型i )側視圖； 圖21是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘雙、單、雙、單固定三維有限元模型 (豐吳型十-)後視圖； 圖22是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘雙、單、雙、單固定三維有限元模型 (模型十二）側視圖； 圖23是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘單、雙、雙、單固定三維有限元模型 (模型十三）後視圖； 圖24是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘單、雙、雙、單固定三維有限元模型 (模型十三）側視圖； 圖25是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘雙、單、單、雙固定三維有限元模型 (模型十四）後視圖； 圖26是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘雙、單、單、雙固定三維有限元模型 (模型十四）側視圖； 圖27是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘全單皮質固定三維有限元模型(模 型十五）後視圖； 圖28是股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘全單皮質固定三維有限元模型(模 型十五）側視圖。
[0012] 圖中標號：1、2、3、4、5分別為LISS鋼板中的釘孔位置，6為正常股骨模型組件；61 為股骨遠端骨折的股骨頭及股骨幹模型組件；62為股骨遠端骨折的股骨遠端髁部模型組 件；7為LISS-DF鋼板模型組件，其中A、B、C、D、E、F、G分別為LISS鋼板中的釘孔位置；7A 為置於鋼板釘孔A固定於股骨遠端髁部的螺釘模型組件；7D為置於鋼板釘孔D固定於股骨 遠端髁部的螺釘模型組件；7E為置於鋼板釘孔E固定於股骨遠端髁部的螺釘模型組件；7F 為置於鋼板釘孔F固定於股骨遠端髁部的螺釘模型組件；712為置於鋼板釘孔2雙皮質固 定的螺釘模型組件；713為置於LISS鋼板釘孔3雙皮質固定的螺釘模型組件；714為置於鋼 板釘孔4雙皮質固定的螺釘模型組件；715為置於鋼板釘孔5雙皮質固定的螺釘模型組件； 722為置於鋼板釘孔2單皮質固定的螺釘模型組件；723為置於鋼板釘孔3單皮質固定的螺 釘模型組件；724為置於鋼板釘孔4單皮質固定的螺釘模型組件；725為置於鋼板釘孔5單 皮質固定的螺釘模型組件。

【具體實施方式】
[0013] 以下結合本發明的實施予以詳細敘述。
[0014] 實施例1 :完整羊股骨以及LISS-DF近端螺釘單雙皮質不同組合固定方式治療股 骨遠端骨折的三維有限元模型建立，包括以下步驟： (1)採用CT斷層掃描獲取數據：採用上海市浦東新區公利醫院影像科16排螺旋CT機 (Philips Brilliance 16)，進行下述操作， ① 選取一成年羊右側股骨，經肉眼及X-ray檢查均無病態，剔除其表面的軟組織，將5 孔LISS-DF鋼板(瑞士辛迪思醫療器械有限公司）附於股骨外側，由股骨頭近端向遠端垂直 於股骨縱軸進行掃描，掃描層厚為1mm，床進速度為I. 3mm/s，球管電流與電壓為275mA和 120. OkV ； ② 將掃描得到的標準DICOM格式數據轉換為jpeg格式保存輸出； (2)三維醫學圖像分割、輪廓特徵點提取及數據輸出： ① 首先，將步驟（1)得到的LISS-DF鋼板附於正常羊股骨的CT斷層圖像導入Image J 軟體； ② 然後，對羊股骨圖像進行圖像灰度變換，修改亮度和對比度的參數，實現對羊股骨 目標區域的圖像增強，手動選取適合的閾值進行圖像分割，利用魔術棒工具，選中羊股骨邊 緣輪廓，去除選區內及選區外像素，得到單像素曲線構成的羊股骨的輪廓，將輪廓點的二維 坐標以txt格式存儲，其中股骨外表面和骨髓腔內表面的輪廓點需分別提取並分別存儲於 不同文件中； ③ 最後，對LISS-DF鋼板同樣應用上述步驟進行鋼板輪廓點坐標提取，並以txt格式存 儲。
[0015] (3)表面幾何模型初步構建： ① 首先，在Rhinoceros 4.0軟體中導入完整股骨外表面輪廓點坐標的txt文件。選定 特徵點生成通過數個點的曲線，應用命令通過多個邊緣曲線或通過平面曲線建立曲面，選 取曲面，以STL文件格式導出； ② 其次，導入股骨骨髓腔內表面輪廓點坐標的txt文件，同樣應用上述方法，建立曲 面，並以STL文件格式導出； ③ 最後，以同樣方法導入LISS-DF鋼板輪廓點坐標的txt文件，建立曲面，並以STL文 件格式導出。
[0016] (4)三維實體幾何模型構建：在HyperMeshl2. 0軟體中，分別導入步驟（3)得到的 完整羊股骨和LISS-DF鋼板的STL文件，基於股骨和鋼板的表面網格生成多個曲面，分別建 立幾何模型；基於完整羊股骨幾何模型，對幾何模型進行修改、拆分幾何體等操作，建立股 骨遠端骨折的幾何模型；建立可用於鋼板不同釘孔的螺釘的幾何模型，共生成以下16個組 件： ① 由多個閉合曲面組成的正常羊股骨模型組件6 ; ② 由多個閉合曲面組成LISS-DF鋼板模型組件7 ; ③ 在股骨遠端製造骨折間距為I. 8cm的AO骨折分型的33-A3型骨折的股骨頭及股骨 幹模型組件61 ; ④ 在股骨遠端製造骨折間距為I. 8cm的AO骨折分型的33-A3型骨折的股骨遠端髁部 模型組件62 ; ⑤ 創建可置於鋼板釘孔A的固定股骨髁部的遠端螺釘模型組件7A ; ⑥ 創建可置於鋼板釘孔D的固定股骨髁部的遠端螺釘模型組件7D ; ⑦ 創建可置於鋼板釘孔E的固定股骨髁部的遠端螺釘模型組件7E ; ⑧ 創建可置於鋼板釘孔F的固定股骨髁部的遠端螺釘模型組件7F ; ⑨ 創建可置於鋼板釘孔2的同時穿過股骨幹內外側骨皮質(雙皮質固定)的近端螺釘模 型組件712 ; ⑩ 創建可置於鋼板釘孔3的同時穿過股骨幹內外側骨皮質(雙皮質固定)的近端螺釘模 型組件713 ; G創建可置於鋼板釘孔4的同時穿過股骨幹內外側骨皮質(雙皮質固定)的近端螺釘模 型組件714 ; 6創建可置於鋼板釘孔5的同時穿過股骨幹內外側骨皮質(雙皮質固定)的近端螺釘模 型組件715 ; ?創建可置於鋼板釘孔2的僅穿過股骨幹外側骨皮質(單皮質固定)的近端螺釘模型組 件 722 ; β創建可置於鋼板釘孔3的僅穿過股骨幹外側骨皮質(單皮質固定)的近端螺釘模型組 件 723 ; ?創建可置於鋼板釘孔4的僅穿過股骨幹外側骨皮質(單皮質固定)的近端螺釘模型組 件 724 ; Cl創建可置於鋼板釘孔5的僅穿過股骨幹外側骨皮質(單皮質固定)的近端螺釘模型組 件 725。
[0017] (5)三維有限元模型構建： 將上述股骨遠端骨折的幾何模型組件6與LISS-DF鋼板幾何模型組件7進行配準，配 準後，將螺釘裝配至鋼板與股骨模型中，置釘原則為遠端螺釘分別置於鋼板釘孔A、D、E和 F，近端螺釘置於鋼板釘孔5、4、3和2,螺釘均為水平位，相鄰螺釘間呈一定角度，共形成以 下十五種模型： ① 模型一正常股骨模型組件6 ; ② 模型二LISS-DF鋼板模型組件7 ; ③ 模型三股骨遠端骨折模型，由股骨頭及股骨幹模型組件61和股骨遠端髁部模型組 件62組成； ④ 模型四股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板組件7附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚螺 釘(螺釘模型組件7A、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7E和螺釘模型組件7F)固定於股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由4枚螺釘(螺釘模型組件715、螺釘模型組件714、螺釘模型組 件713和螺釘模型組件712)全雙皮質固定於股骨幹組件61 ; ⑤ 模型五股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板組件7附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚螺 釘(螺釘模型組件7A、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7E和螺釘模型組件7F)固定於股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由單皮質固定的螺釘模型組件725、雙皮質固定的螺釘模型組 件714、雙皮質固定的螺釘模型組件713和雙皮質固定的螺釘模型組件712固定於股骨幹組 件61 ; ⑥ 模型六股骨遠端骨折，LISS-DF鋼組件7附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚螺釘 (螺釘模型組件7A、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7E和螺釘模型組件7F)固定於股骨髁 部組件62,股骨近端鋼板由單皮質固定的螺釘模型組件725、單皮質固定的螺釘模型組件 724、雙皮質固定的螺釘模型組件713和雙皮質固定的螺釘模型組件712固定於股骨幹組件 61 ； ⑦ 模型七股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板(組件7)附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚 螺釘(螺釘模型組件7A、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7E和螺釘模型組件7F)固定於股 骨髁部組件62,股骨近端鋼板由單皮質固定的螺釘模型組件725、單皮質固定的螺釘模型 組件724、單皮質固定的螺釘模型組件723和雙皮質固定的螺釘模型組件712方式固定於股 骨幹組件61 ; ⑧ 模型八股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板組件7附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚螺 釘(螺釘模型組件7A、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7E和螺釘模型組件7F)固定於股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由雙皮質固定的螺釘模型組件715、單皮質固定的螺釘模型組 件724、單皮質固定的螺釘模型組件723和單皮質固定的螺釘模型組件722固定於股骨幹組 件61 ; ⑨ 模型九股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板組件7附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚螺 釘(螺釘模型組件7A、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7E和螺釘模型組件7F)固定於股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由雙皮質固定的螺釘模型組件715、雙皮質固定的螺釘模型組 件714、單皮質固定的螺釘模型組件723和單皮質固定的螺釘模型組件722固定於股骨幹組 件61 ; ⑩ 模型十股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板組件7附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚螺 釘(螺釘模型組件7A、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7E和螺釘模型組件7F)固定於股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由雙皮質固定的螺釘模型組件715、雙皮質固定的螺釘模型組 件714、雙皮質固定的螺釘模型組件713和單皮質固定的螺釘模型組件722固定於股骨幹組 件61 ; G'模型十一股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板組件7附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚螺 釘(螺釘模型組件7A、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7E和螺釘模型組件7F)固定於股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由單皮質固定的螺釘模型組件725、雙皮質固定的螺釘模型組 件714、單皮質固定的螺釘模型組件723和雙皮質固定的螺釘模型組件712固定於股骨幹組 件61 ; 6模型十二股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板組件7附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚螺 釘(螺釘模型組件7A、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7E和螺釘模型組件7F)固定於股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由雙皮質固定的螺釘模型組件715、單皮質固定的螺釘模型組 件724、雙皮質固定的螺釘模型組件713和單皮質固定的螺釘模型組件722固定於股骨幹組 件61 ; ?模型十三股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板組件7附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚螺 釘(螺釘模型組件7Α、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7Ε和螺釘模型組件7F)固定於股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由單皮質固定的螺釘模型組件725、雙皮質固定的螺釘模型組 件714、雙皮質固定的螺釘模型組件713和單皮質固定的螺釘模型組件722固定於股骨幹組 件61 ; 0模型十四股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板組件7附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚螺 釘(螺釘模型組件7Α、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7Ε和螺釘模型組件7F)固定於股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由雙皮質固定的螺釘模型組件715、單皮質固定的螺釘模型組 件724、單皮質固定的螺釘模型組件723和雙皮質固定的螺釘模型組件712固定於股骨幹組 件61 ; 喔模型十五股骨遠端骨折，LISS-DF鋼板組件7附於股骨外側，股骨遠端鋼板由4枚螺 釘(螺釘模型組件7A、螺釘模型組件7D、螺釘模型組件7E和螺釘模型組件7F)固定於股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由單皮質固定的螺釘模型組件725、單皮質固定的螺釘模型組 件724、單皮質固定的螺釘模型組件723和單皮質固定的螺釘模型組件722固定於股骨幹組 件61。
[0018] 對上述十五種模型中的每一種模型都進行下述操作：首先，對一個模型所包含的 所有組件分別基於表面曲面創建二維網格(殼單元)，不同組件之間以節點耦合的方式相連 接；然後，在每個組件內部創建四面體實體單元；最後，給每個組件內部四面體單元賦予其 相應的材料屬性，以大型有限元分析軟體ANSYS的輸入文件CDB格式分別輸出每個組件的 四面體單元。
[0019] 通過上述步驟得到的模型可直接應用於後續的力學分析，其結果可為臨床上治療 股骨遠端骨折時，選擇合理的螺釘長度以及固定方式，減少術後相關併發症的發生，提供理 論依據。上述模型的生物力學仿真計算結果結合臨床經驗，對於指導和幫助今後臨床應用 新型微創內固定系統LISS治療此類常見病，具有重要的臨床意義。
【權利要求】
1.基於醫學圖像數據LISS-DF治療股骨遠端骨折的三維有限元模型構建方法，其特徵 在於具體步驟如下： (1) 採用CT斷層掃描獲取LISS鋼板附於正常羊股骨的斷層圖像數據： 將LISS鋼板附於正常羊股骨外側，採用螺旋CT機由羊股骨頭近端向遠端垂直於股骨 縱軸進行掃描，掃描層厚小於或等於1mm，將掃描得到的標準DICOM格式數據轉換為jpeg格 式保存輸出； (2) 三維醫學圖像分割、輪廓特徵點提取及數據輸出： 將步驟（1)得到的LISS鋼板附於正常羊股骨外側的CT斷層圖像導入開源軟體Image J(美國國立衛生研究院，National Institutes of Health)，首先對羊股骨圖像和LISS-DF 鋼板圖像分別進行圖像變換、圖像增強和閾值化處理，然後分別選定羊股骨和LISS-DF鋼 板圖像中目標區域的範圍，最後對選定區域內的目標邊界進行邊緣提取，將得到的輪廓點 的坐標以txt格式分別存儲； (3) 表面幾何模型初步構建： 在Rhinoceros 4.0軟體（美國，Robert McNeel & Associates公司）中分別導入步驟 (2)得到的完整羊股骨及LISS-DF鋼板的輪廓點坐標的txt文件，選定輪廓點生成曲線，建 立曲面，並以STL文件格式分別導出，分別得到完整羊股骨和LISS-DF鋼板的STL文件； (4) 三維實體幾何模型構建： 在通用有限元網格劃分軟體HyperMeshl2. 0 (美國，Altair公司）中進行如下操作： ① 基於醫學圖像生成實體幾何模型：首先導入步驟（3)所生成的完整羊股骨的STL文 件，分別基於羊股骨的表面網格生成多個曲面，建立幾何模型，單獨存儲為一個組件；然後， 對LISS-DF鋼板進行同樣的操作，生成相應的幾何模型，同樣單獨存儲為一個組件； ② 編輯基於醫學圖像生成的幾何模型：對正常羊股骨模型進行切割，生成相應的羊股 骨骨折幾何模型組件； ③ 基於置釘原則生成螺釘實體幾何模型：根據幾何尺寸建立螺釘表面的曲線，然後基 於曲線生成曲面，最終建立螺釘的三維幾何模型，根據置釘原則，分別生成可同時穿過羊股 骨幹內外側骨皮質的螺釘模型組件，即雙皮質固定，用"雙"表示，和僅穿過羊股骨幹外側骨 皮質的螺釘模型組件，即單皮質固定，用"單"表示，每個螺釘分別存儲於不同組件中； (5) 三維有限元模型構建： 在軟體HyperMesh中，按需要選取不同實體幾何模型組件進行裝配，生成多個模型， 所述模型含完整股骨模型，股骨遠端骨折模型，LISS-DF鋼板模型，以及近端螺釘不同組合 固定方式治療股骨骨折的模型，每一模型均由多個組件組成，對每個模型分別實施以下操 作： ① 針對一個組件，基於所有曲面生成2D殼單元； ② 不同組件之間交界面節點進行節點耦合以實現組件之間的連接； ③ 在每個組件內部創建四面體單元； 最終分別生成羊股骨以及近端螺釘不同組合固定方式治療股骨骨折的多個四面體有 限元模型。
【文檔編號】A61B6/03GK104240298SQ201410455989
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年9月10日
【發明者】龔璐璐, 張巖 申請人:同濟大學, 上海市浦東新區公利醫院