基于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)liss-df治療股骨遠(yuǎn)端骨折的三維有限元模型的構(gòu)建方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出基于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)LISS-DF治療股骨遠(yuǎn)端骨折的三維有限元模型構(gòu)建方法，采用CT斷層掃描獲取LISS鋼板及正常羊股骨的斷層圖像數(shù)據(jù)：三維醫(yī)學(xué)圖像分割、輪廓特征點(diǎn)提取及數(shù)據(jù)輸出：表面幾何模型初步構(gòu)建：三維實(shí)體幾何模型構(gòu)建：建立基于醫(yī)學(xué)圖像生成實(shí)體幾何模型，編輯基于醫(yī)學(xué)圖像生成的幾何模型,建立基于置釘原則生成螺釘實(shí)體幾何模型：三維有限元模型構(gòu)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(gè)四面體有限元模型。本發(fā)明包含完整羊股骨、股骨遠(yuǎn)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(zhì)不同組合固定方式治療股骨遠(yuǎn)端骨折的三維有限元模型。本發(fā)明能快速、精確地建立LISS-DF近端螺釘單雙皮質(zhì)不同組合固定方式治療股骨遠(yuǎn)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(zhì)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)LISS-DF治療股骨遠(yuǎn)端骨折的三維有限 元模型的構(gòu)建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種羊骨組織及內(nèi)固定裝置的三維有限元模型構(gòu)建方法，特別是基于 醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)LISS-DF治療股骨遠(yuǎn)端骨折的三維有限元模型的構(gòu)建方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)交通運(yùn)輸及建筑業(yè)飛速發(fā)展，交通事故、高空跌落、重物砸傷等高能量暴 力創(chuàng)傷導(dǎo)致的股骨遠(yuǎn)端骨折近年來(lái)驟增，該疾患下肢創(chuàng)傷較為嚴(yán)重、復(fù)雜，骨折復(fù)位、固定 較為困難，所以臨床處理較為棘手，療效較差，甚至導(dǎo)致肢體縮短和膝關(guān)節(jié)功能障礙等。
[0003] 由于股骨遠(yuǎn)端骨折多為高能量損傷所致的粉碎性、不穩(wěn)定性骨折，且常累及關(guān)節(jié)， 因此采用傳統(tǒng)切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定方法治療股骨遠(yuǎn)端骨折，創(chuàng)傷較大，固定不堅(jiān)強(qiáng)，并發(fā)癥較 多。而新型微創(chuàng)內(nèi)固定系統(tǒng)LISS (Less Invasive Stabilization System)結(jié)合了帶鎖髓 內(nèi)釘技術(shù)和生物學(xué)接骨板技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，具有創(chuàng)傷小、穩(wěn)定性強(qiáng)、符合生物力學(xué)等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 股骨遠(yuǎn)端LISS鋼板有效固定的技術(shù)關(guān)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，固定失敗主要是由于鋼板與股骨遠(yuǎn)端骨面貼合不緊密，螺釘與皮質(zhì)骨咬 合不佳。具體表現(xiàn)為螺釘長(zhǎng)度不足或擰入深度不夠(單皮質(zhì)固定)，未穿透對(duì)側(cè)皮質(zhì)，螺釘抗 拔出力減弱，產(chǎn)生偏心力，從而導(dǎo)致固定不穩(wěn)定。而螺釘過(guò)長(zhǎng)穿透對(duì)側(cè)皮質(zhì)(雙皮質(zhì)固定)， 也可能會(huì)造成對(duì)側(cè)軟組織及重要血管神經(jīng)的損傷。此外，單純術(shù)前X片或術(shù)中C臂定位，往 往只能獲得二維圖像，定位不準(zhǔn)確，且增加患者和醫(yī)生的輻射劑量。
[0005] 因此較為系統(tǒng)地進(jìn)行對(duì)股骨遠(yuǎn)端LISS鋼板固定的配準(zhǔn)與螺釘不同固定方式 的組合的相關(guān)研究具有重要的臨床意義。此發(fā)明正基于此，基于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)建立 LISS-DF(Less Invasive Stabilization System - Distal Femur)治療股骨遠(yuǎn)端骨折的 三維有限元模型，為后續(xù)的生物力學(xué)分析、臨床上近端螺釘不同固定方式的選擇以及LISS 鋼板設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考依據(jù)。
[0006] 有限元法能對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、載荷和材料力學(xué)性能進(jìn)行應(yīng)力分析和比較，具有 成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。人體骨組織及其內(nèi)固定系統(tǒng)，具有外形不規(guī)則、內(nèi)部結(jié) 構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)方法根本無(wú)法精準(zhǔn)地對(duì)其應(yīng)力分析，應(yīng)用三維有限元法分析，則可準(zhǔn)確 和全面地得到骨組織和固定系統(tǒng)各部件的應(yīng)力結(jié)果。而有限元法分析結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于 所建模型的精確程度，因此，如何快速、精確地對(duì)人體骨組織及內(nèi)固定植入物系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算 機(jī)仿真模擬，建立三維有限元模型已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)LISS-DF治療股骨遠(yuǎn)端骨折的三 維有限元模型的構(gòu)建方法，解決采用現(xiàn)有CT (Computed Tomography)掃描無(wú)法獲取三維空 間信息，螺釘不同組合固定方式治療股骨遠(yuǎn)端骨折模型建立過(guò)程復(fù)雜，鋼板、螺釘與股骨的 位置配準(zhǔn)困難等問(wèn)題，精確建立LISS-DF近端螺釘單雙皮質(zhì)不同組合固定方式治療股骨遠(yuǎn) 端骨折的三維有限元模型。
[0008] 本發(fā)明提出的基于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)LISS-DF治療股骨遠(yuǎn)端骨折的三維有限元模型 構(gòu)建方法，具體步驟如下： (1) 采用CT斷層掃描獲取LISS鋼板附于正常羊股骨的斷層圖像數(shù)據(jù)： 將LISS鋼板附于正常羊股骨外側(cè)，采用螺旋CT機(jī)由羊股骨頭近端向遠(yuǎn)端垂直于股骨 縱軸進(jìn)行掃描，掃描層厚小于或等于1mm，將掃描得到的標(biāo)準(zhǔn)DICOM格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為jpeg格 式保存輸出； (2) 三維醫(yī)學(xué)圖像分割、輪廓特征點(diǎn)提取及數(shù)據(jù)輸出： 將步驟（1)得到的LISS鋼板附于正常羊股骨外側(cè)的CT斷層圖像導(dǎo)入開(kāi)源軟件Image J(美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院，National Institutes of Health)，首先對(duì)羊股骨圖像和LISS-DF 鋼板圖像分別進(jìn)行圖像變換、圖像增強(qiáng)和閾值化處理，然后分別選定羊股骨和LISS-DF鋼 板圖像中目標(biāo)區(qū)域的范圍，最后對(duì)選定區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)邊界進(jìn)行邊緣提取，將得到的輪廓點(diǎn) 的坐標(biāo)以txt格式分別存儲(chǔ)； (3) 表面幾何模型初步構(gòu)建： 在Rhinoceros 4.0軟件（美國(guó)，Robert McNeel & Associates公司）中分別導(dǎo)入步驟 (2)得到的完整羊股骨及LISS-DF鋼板的輪廓點(diǎn)坐標(biāo)的txt文件，選定輪廓點(diǎn)生成曲線，建 立曲面，并以STL文件格式分別導(dǎo)出，分別得到完整羊股骨和LISS-DF鋼板的STL文件； (4) 三維實(shí)體幾何模型構(gòu)建： 在通用有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperMeshl2. 0 (美國(guó)，Altair公司）中進(jìn)行如下操作： ① 基于醫(yī)學(xué)圖像生成實(shí)體幾何模型：首先導(dǎo)入步驟（3)所生成的完整羊股骨的STL文 件，分別基于羊股骨的表面網(wǎng)格生成多個(gè)曲面，建立幾何模型，單獨(dú)存儲(chǔ)為一個(gè)組件；然后， 對(duì)LISS-DF鋼板進(jìn)行同樣的操作，生成相應(yīng)的幾何模型，同樣的，單獨(dú)存儲(chǔ)為一個(gè)組件； ② 編輯基于醫(yī)學(xué)圖像生成的幾何模型：對(duì)正常羊股骨模型進(jìn)行切割，生成相應(yīng)的羊股 骨骨折幾何模型組件； ③ 基于置釘原則生成螺釘實(shí)體幾何模型：根據(jù)幾何尺寸建立螺釘表面的曲線，然后基 于曲線生成曲面，最終建立螺釘?shù)娜S幾何模型，根據(jù)置釘原則，分別生成可同時(shí)穿過(guò)羊股 骨干內(nèi)外側(cè)骨皮質(zhì)的螺釘模型組件，即雙皮質(zhì)固定，用"雙"表示，和僅穿過(guò)羊股骨干外側(cè)骨 皮質(zhì)的螺釘模型組件，即單皮質(zhì)固定，用"單"表示，每個(gè)螺釘分別存儲(chǔ)于不同組件中； (5) 三維有限元模型構(gòu)建： 在軟件HyperMesh中，按需要選取不同實(shí)體幾何模型組件進(jìn)行裝配，生成多個(gè)模型， 所述模型含完整股骨模型，股骨遠(yuǎn)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(gè)組件組成，對(duì)每個(gè)模型分別實(shí)施以下操 作： ① 針對(duì)一個(gè)組件，基于所有曲面生成2D殼單元； ② 不同組件之間交界面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合以實(shí)現(xiàn)組件之間的連接； ③ 在每個(gè)組件內(nèi)部創(chuàng)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(gè) 四面體有限元模型。
[0010] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明包含完整羊股骨、股骨遠(yuǎn)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(zhì)不同組合共12種固定方式治療股骨遠(yuǎn)端骨折的三維有限元模 型。本發(fā)明應(yīng)用Image J軟件、Rhinoceros軟件和HyperMesh軟件可以快速、精確地建立 LISS-DF近端螺釘單雙皮質(zhì)不同組合固定方式治療股骨遠(yuǎn)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(zhì)量，所建立模型可為不同股骨遠(yuǎn)端骨折情況的近端螺釘不 同固定方式的優(yōu)選提供依據(jù)，為進(jìn)一步的生物力學(xué)分析、內(nèi)植物的個(gè)性化設(shè)計(jì)以及手術(shù)方 案的可行性提供了依據(jù)和方法學(xué)參考。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是正常股骨三維有限元模型(模型一）后視圖； 圖2是LISS-DF鋼板三維有限元模型(模型二）及其釘孔編號(hào)； 圖3是在股骨遠(yuǎn)端間距為I. 8cm的33-A3型骨折三維有限元模型(模型三）后視圖； 圖4是在股骨遠(yuǎn)端間距為I. 8cm的33-A3型骨折三維有限元模型(模型三）側(cè)視圖； 圖5是股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘全雙皮質(zhì)固定三維有限元模型(模型 四）后視圖； 圖6是股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘全雙皮質(zhì)固定三維有限元模型(模型 四）側(cè)視圖； 圖7是股骨遠(yuǎn)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）后視圖； 圖8是股骨遠(yuǎn)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(cè)視圖； 圖9是股骨遠(yuǎn)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)后視圖； 圖10是股骨遠(yuǎn)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(cè)視圖； 圖11是股骨遠(yuǎn)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）后視圖； 圖12是股骨遠(yuǎn)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(cè)視圖； 圖13是股骨遠(yuǎn)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）后視圖； 圖14是股骨遠(yuǎn)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(cè)視圖； 圖15是股骨遠(yuǎn)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）后視圖； 圖16是股骨遠(yuǎn)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(cè)視圖； 圖17是股骨遠(yuǎn)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）后視圖； 圖18是股骨遠(yuǎn)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(cè)視圖； 圖19是股骨遠(yuǎn)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）后視圖； 圖20是股骨遠(yuǎn)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(cè)視圖； 圖21是股骨遠(yuǎn)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-)后視圖； 圖22是股骨遠(yuǎn)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(cè)視圖； 圖23是股骨遠(yuǎn)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）后視圖； 圖24是股骨遠(yuǎn)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(cè)視圖； 圖25是股骨遠(yuǎn)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）后視圖； 圖26是股骨遠(yuǎn)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(cè)視圖； 圖27是股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘全單皮質(zhì)固定三維有限元模型(模 型十五）后視圖； 圖28是股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板近端4枚螺釘全單皮質(zhì)固定三維有限元模型(模 型十五）側(cè)視圖。
[0012] 圖中標(biāo)號(hào)：1、2、3、4、5分別為L(zhǎng)ISS鋼板中的釘孔位置，6為正常股骨模型組件；61 為股骨遠(yuǎn)端骨折的股骨頭及股骨干模型組件；62為股骨遠(yuǎn)端骨折的股骨遠(yuǎn)端髁部模型組 件；7為L(zhǎng)ISS-DF鋼板模型組件，其中A、B、C、D、E、F、G分別為L(zhǎng)ISS鋼板中的釘孔位置；7A 為置于鋼板釘孔A固定于股骨遠(yuǎn)端髁部的螺釘模型組件；7D為置于鋼板釘孔D固定于股骨 遠(yuǎn)端髁部的螺釘模型組件；7E為置于鋼板釘孔E固定于股骨遠(yuǎn)端髁部的螺釘模型組件；7F 為置于鋼板釘孔F固定于股骨遠(yuǎn)端髁部的螺釘模型組件；712為置于鋼板釘孔2雙皮質(zhì)固 定的螺釘模型組件；713為置于LISS鋼板釘孔3雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件；714為置于鋼 板釘孔4雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件；715為置于鋼板釘孔5雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件； 722為置于鋼板釘孔2單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件；723為置于鋼板釘孔3單皮質(zhì)固定的螺 釘模型組件；724為置于鋼板釘孔4單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件；725為置于鋼板釘孔5單 皮質(zhì)固定的螺釘模型組件。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 以下結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施予以詳細(xì)敘述。
[0014] 實(shí)施例1 :完整羊股骨以及LISS-DF近端螺釘單雙皮質(zhì)不同組合固定方式治療股 骨遠(yuǎn)端骨折的三維有限元模型建立，包括以下步驟： (1)采用CT斷層掃描獲取數(shù)據(jù)：采用上海市浦東新區(qū)公利醫(yī)院影像科16排螺旋CT機(jī) (Philips Brilliance 16)，進(jìn)行下述操作， ① 選取一成年羊右側(cè)股骨，經(jīng)肉眼及X-ray檢查均無(wú)病態(tài)，剔除其表面的軟組織，將5 孔LISS-DF鋼板(瑞士辛迪思醫(yī)療器械有限公司）附于股骨外側(cè)，由股骨頭近端向遠(yuǎn)端垂直 于股骨縱軸進(jìn)行掃描，掃描層厚為1mm，床進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)DICOM格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為jpeg格式保存輸出； (2)三維醫(yī)學(xué)圖像分割、輪廓特征點(diǎn)提取及數(shù)據(jù)輸出： ① 首先，將步驟（1)得到的LISS-DF鋼板附于正常羊股骨的CT斷層圖像導(dǎo)入Image J 軟件； ② 然后，對(duì)羊股骨圖像進(jìn)行圖像灰度變換，修改亮度和對(duì)比度的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)羊股骨 目標(biāo)區(qū)域的圖像增強(qiáng)，手動(dòng)選取適合的閾值進(jìn)行圖像分割，利用魔術(shù)棒工具，選中羊股骨邊 緣輪廓，去除選區(qū)內(nèi)及選區(qū)外像素，得到單像素曲線構(gòu)成的羊股骨的輪廓，將輪廓點(diǎn)的二維 坐標(biāo)以txt格式存儲(chǔ)，其中股骨外表面和骨髓腔內(nèi)表面的輪廓點(diǎn)需分別提取并分別存儲(chǔ)于 不同文件中； ③ 最后，對(duì)LISS-DF鋼板同樣應(yīng)用上述步驟進(jìn)行鋼板輪廓點(diǎn)坐標(biāo)提取，并以txt格式存 儲(chǔ)。
[0015] (3)表面幾何模型初步構(gòu)建： ① 首先，在Rhinoceros 4.0軟件中導(dǎo)入完整股骨外表面輪廓點(diǎn)坐標(biāo)的txt文件。選定 特征點(diǎn)生成通過(guò)數(shù)個(gè)點(diǎn)的曲線，應(yīng)用命令通過(guò)多個(gè)邊緣曲線或通過(guò)平面曲線建立曲面，選 取曲面，以STL文件格式導(dǎo)出； ② 其次，導(dǎo)入股骨骨髓腔內(nèi)表面輪廓點(diǎn)坐標(biāo)的txt文件，同樣應(yīng)用上述方法，建立曲 面，并以STL文件格式導(dǎo)出； ③ 最后，以同樣方法導(dǎo)入LISS-DF鋼板輪廓點(diǎn)坐標(biāo)的txt文件，建立曲面，并以STL文 件格式導(dǎo)出。
[0016] (4)三維實(shí)體幾何模型構(gòu)建：在HyperMeshl2. 0軟件中，分別導(dǎo)入步驟（3)得到的 完整羊股骨和LISS-DF鋼板的STL文件，基于股骨和鋼板的表面網(wǎng)格生成多個(gè)曲面，分別建 立幾何模型；基于完整羊股骨幾何模型，對(duì)幾何模型進(jìn)行修改、拆分幾何體等操作，建立股 骨遠(yuǎn)端骨折的幾何模型；建立可用于鋼板不同釘孔的螺釘?shù)膸缀文Ｐ?，共生成以?6個(gè)組 件： ① 由多個(gè)閉合曲面組成的正常羊股骨模型組件6 ; ② 由多個(gè)閉合曲面組成LISS-DF鋼板模型組件7 ; ③ 在股骨遠(yuǎn)端制造骨折間距為I. 8cm的AO骨折分型的33-A3型骨折的股骨頭及股骨 干模型組件61 ; ④ 在股骨遠(yuǎn)端制造骨折間距為I. 8cm的AO骨折分型的33-A3型骨折的股骨遠(yuǎn)端髁部 模型組件62 ; ⑤ 創(chuàng)建可置于鋼板釘孔A的固定股骨髁部的遠(yuǎn)端螺釘模型組件7A ; ⑥ 創(chuàng)建可置于鋼板釘孔D的固定股骨髁部的遠(yuǎn)端螺釘模型組件7D ; ⑦ 創(chuàng)建可置于鋼板釘孔E的固定股骨髁部的遠(yuǎn)端螺釘模型組件7E ; ⑧ 創(chuàng)建可置于鋼板釘孔F的固定股骨髁部的遠(yuǎn)端螺釘模型組件7F ; ⑨ 創(chuàng)建可置于鋼板釘孔2的同時(shí)穿過(guò)股骨干內(nèi)外側(cè)骨皮質(zhì)(雙皮質(zhì)固定)的近端螺釘模 型組件712 ; ⑩ 創(chuàng)建可置于鋼板釘孔3的同時(shí)穿過(guò)股骨干內(nèi)外側(cè)骨皮質(zhì)(雙皮質(zhì)固定)的近端螺釘模 型組件713 ; G創(chuàng)建可置于鋼板釘孔4的同時(shí)穿過(guò)股骨干內(nèi)外側(cè)骨皮質(zhì)(雙皮質(zhì)固定)的近端螺釘模 型組件714 ; 6創(chuàng)建可置于鋼板釘孔5的同時(shí)穿過(guò)股骨干內(nèi)外側(cè)骨皮質(zhì)(雙皮質(zhì)固定)的近端螺釘模 型組件715 ; ?創(chuàng)建可置于鋼板釘孔2的僅穿過(guò)股骨干外側(cè)骨皮質(zhì)(單皮質(zhì)固定)的近端螺釘模型組 件 722 ; β創(chuàng)建可置于鋼板釘孔3的僅穿過(guò)股骨干外側(cè)骨皮質(zhì)(單皮質(zhì)固定)的近端螺釘模型組 件 723 ; ?創(chuàng)建可置于鋼板釘孔4的僅穿過(guò)股骨干外側(cè)骨皮質(zhì)(單皮質(zhì)固定)的近端螺釘模型組 件 724 ; Cl創(chuàng)建可置于鋼板釘孔5的僅穿過(guò)股骨干外側(cè)骨皮質(zhì)(單皮質(zhì)固定)的近端螺釘模型組 件 725。
[0017] (5)三維有限元模型構(gòu)建： 將上述股骨遠(yuǎn)端骨折的幾何模型組件6與LISS-DF鋼板幾何模型組件7進(jìn)行配準(zhǔn)，配 準(zhǔn)后，將螺釘裝配至鋼板與股骨模型中，置釘原則為遠(yuǎn)端螺釘分別置于鋼板釘孔A、D、E和 F，近端螺釘置于鋼板釘孔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(yuǎn)端骨折模型，由股骨頭及股骨干模型組件61和股骨遠(yuǎn)端髁部模型組 件62組成； ④ 模型四股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板組件7附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股骨 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(zhì)固定于股骨干組件61 ; ⑤ 模型五股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板組件7附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件725、雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組 件714、雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件713和雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件712固定于股骨干組 件61 ; ⑥ 模型六股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼組件7附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股骨髁 部組件62,股骨近端鋼板由單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件725、單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件 724、雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件713和雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件712固定于股骨干組件 61 ； ⑦ 模型七股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板(組件7)附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股 骨髁部組件62,股骨近端鋼板由單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件725、單皮質(zhì)固定的螺釘模型 組件724、單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件723和雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件712方式固定于股 骨干組件61 ; ⑧ 模型八股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板組件7附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件715、單皮質(zhì)固定的螺釘模型組 件724、單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件723和單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件722固定于股骨干組 件61 ; ⑨ 模型九股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板組件7附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件715、雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組 件714、單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件723和單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件722固定于股骨干組 件61 ; ⑩ 模型十股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板組件7附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件715、雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組 件714、雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件713和單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件722固定于股骨干組 件61 ; G'模型十一股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板組件7附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件725、雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組 件714、單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件723和雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件712固定于股骨干組 件61 ; 6模型十二股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板組件7附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件715、單皮質(zhì)固定的螺釘模型組 件724、雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件713和單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件722固定于股骨干組 件61 ; ?模型十三股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板組件7附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件725、雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組 件714、雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件713和單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件722固定于股骨干組 件61 ; 0模型十四股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板組件7附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件715、單皮質(zhì)固定的螺釘模型組 件724、單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件723和雙皮質(zhì)固定的螺釘模型組件712固定于股骨干組 件61 ; 喔模型十五股骨遠(yuǎn)端骨折，LISS-DF鋼板組件7附于股骨外側(cè)，股骨遠(yuǎn)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)固定于股骨 髁部組件62,股骨近端鋼板由單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件725、單皮質(zhì)固定的螺釘模型組 件724、單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件723和單皮質(zhì)固定的螺釘模型組件722固定于股骨干組 件61。
[0018] 對(duì)上述十五種模型中的每一種模型都進(jìn)行下述操作：首先，對(duì)一個(gè)模型所包含的 所有組件分別基于表面曲面創(chuàng)建二維網(wǎng)格(殼單元)，不同組件之間以節(jié)點(diǎn)耦合的方式相連 接；然后，在每個(gè)組件內(nèi)部創(chuàng)建四面體實(shí)體單元；最后，給每個(gè)組件內(nèi)部四面體單元賦予其 相應(yīng)的材料屬性，以大型有限元分析軟件ANSYS的輸入文件CDB格式分別輸出每個(gè)組件的 四面體單元。
[0019] 通過(guò)上述步驟得到的模型可直接應(yīng)用于后續(xù)的力學(xué)分析，其結(jié)果可為臨床上治療 股骨遠(yuǎn)端骨折時(shí)，選擇合理的螺釘長(zhǎng)度以及固定方式，減少術(shù)后相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生，提供理 論依據(jù)。上述模型的生物力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于指導(dǎo)和幫助今后臨床應(yīng)用 新型微創(chuàng)內(nèi)固定系統(tǒng)LISS治療此類(lèi)常見(jiàn)病，具有重要的臨床意義。
【權(quán)利要求】
1.基于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)LISS-DF治療股骨遠(yuǎn)端骨折的三維有限元模型構(gòu)建方法，其特征 在于具體步驟如下： (1) 采用CT斷層掃描獲取LISS鋼板附于正常羊股骨的斷層圖像數(shù)據(jù)： 將LISS鋼板附于正常羊股骨外側(cè)，采用螺旋CT機(jī)由羊股骨頭近端向遠(yuǎn)端垂直于股骨 縱軸進(jìn)行掃描，掃描層厚小于或等于1mm，將掃描得到的標(biāo)準(zhǔn)DICOM格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為jpeg格 式保存輸出； (2) 三維醫(yī)學(xué)圖像分割、輪廓特征點(diǎn)提取及數(shù)據(jù)輸出： 將步驟（1)得到的LISS鋼板附于正常羊股骨外側(cè)的CT斷層圖像導(dǎo)入開(kāi)源軟件Image J(美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院，National Institutes of Health)，首先對(duì)羊股骨圖像和LISS-DF 鋼板圖像分別進(jìn)行圖像變換、圖像增強(qiáng)和閾值化處理，然后分別選定羊股骨和LISS-DF鋼 板圖像中目標(biāo)區(qū)域的范圍，最后對(duì)選定區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)邊界進(jìn)行邊緣提取，將得到的輪廓點(diǎn) 的坐標(biāo)以txt格式分別存儲(chǔ)； (3) 表面幾何模型初步構(gòu)建： 在Rhinoceros 4.0軟件（美國(guó)，Robert McNeel & Associates公司）中分別導(dǎo)入步驟 (2)得到的完整羊股骨及LISS-DF鋼板的輪廓點(diǎn)坐標(biāo)的txt文件，選定輪廓點(diǎn)生成曲線，建 立曲面，并以STL文件格式分別導(dǎo)出，分別得到完整羊股骨和LISS-DF鋼板的STL文件； (4) 三維實(shí)體幾何模型構(gòu)建： 在通用有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperMeshl2. 0 (美國(guó)，Altair公司）中進(jìn)行如下操作： ① 基于醫(yī)學(xué)圖像生成實(shí)體幾何模型：首先導(dǎo)入步驟（3)所生成的完整羊股骨的STL文 件，分別基于羊股骨的表面網(wǎng)格生成多個(gè)曲面，建立幾何模型，單獨(dú)存儲(chǔ)為一個(gè)組件；然后， 對(duì)LISS-DF鋼板進(jìn)行同樣的操作，生成相應(yīng)的幾何模型，同樣單獨(dú)存儲(chǔ)為一個(gè)組件； ② 編輯基于醫(yī)學(xué)圖像生成的幾何模型：對(duì)正常羊股骨模型進(jìn)行切割，生成相應(yīng)的羊股 骨骨折幾何模型組件； ③ 基于置釘原則生成螺釘實(shí)體幾何模型：根據(jù)幾何尺寸建立螺釘表面的曲線，然后基 于曲線生成曲面，最終建立螺釘?shù)娜S幾何模型，根據(jù)置釘原則，分別生成可同時(shí)穿過(guò)羊股 骨干內(nèi)外側(cè)骨皮質(zhì)的螺釘模型組件，即雙皮質(zhì)固定，用"雙"表示，和僅穿過(guò)羊股骨干外側(cè)骨 皮質(zhì)的螺釘模型組件，即單皮質(zhì)固定，用"單"表示，每個(gè)螺釘分別存儲(chǔ)于不同組件中； (5) 三維有限元模型構(gòu)建： 在軟件HyperMesh中，按需要選取不同實(shí)體幾何模型組件進(jìn)行裝配，生成多個(gè)模型， 所述模型含完整股骨模型，股骨遠(yuǎn)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(gè)組件組成，對(duì)每個(gè)模型分別實(shí)施以下操 作： ① 針對(duì)一個(gè)組件，基于所有曲面生成2D殼單元； ② 不同組件之間交界面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合以實(shí)現(xiàn)組件之間的連接； ③ 在每個(gè)組件內(nèi)部創(chuàng)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(gè)四面體有 限元模型。
【文檔編號(hào)】A61B6/03GK104240298SQ201410455989
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】龔璐璐, 張巖 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué), 上海市浦東新區(qū)公利醫(yī)院