本專利涉及骨骼醫(yī)療領域，具體為骨骼CT值與彈性模量關系確定方法及其試驗加載裝置。

背景技術：

骨骼疾病的診斷多以影像學為主，如計算機斷層成像(CT)、磁共振成像(MRI)等。影像學數(shù)據(jù)可為醫(yī)生提供骨骼的形態(tài)學參數(shù)，但缺乏對骨骼力學功能的描述，因此，在疾病診斷、病情發(fā)展預測、康復情況預測等方面有局限性?；谟跋駥W形態(tài)數(shù)據(jù)和計算力學的仿真研究可提供骨骼的力學功能性參數(shù)，對預測性研究有較大幫助，但力學功能性研究的準確性主要取決于三方面：個體化模型的準確性、計算方法的精確性和材料賦值的準確性。對于第一方面，個體化模型可從CT影像中通過圖像分割直接提取并三維重建為骨骼模型，準確性有較好的保證。第二方面，目前，計算方法主要基于有限元方法，在網(wǎng)格數(shù)量和邊界條件合理的情況下，有限元方法有著較好的精度，可滿足準確計算需求。而第三方面，較準確的材料賦值方法是將重建后的骨骼模型進行網(wǎng)格離散化，并映射回CT圖像中，依據(jù)CT值將骨骼區(qū)分為若干個區(qū)域，基于CT值與骨骼彈性模量的關系，對骨骼的各區(qū)域進行賦值，以模擬骨質的不均勻分布。而在此方面，建立CT值與骨骼彈性模量的準確關系尤為重要，是建立骨骼力學功能性分析的關鍵步驟。現(xiàn)有的骨骼CT值與彈性模量關系多基于單軸壓縮實驗或超聲掃描實驗，限于實驗的準確性，所得結論針對同一骨骼片段差異較大。

現(xiàn)有技術如單軸壓縮測試方法：將骨骼樣品(一般為1cm³)放置于壓縮機中，對樣品進行加載，記錄應力應變曲線，從而獲得骨骼樣品的彈性模量；計算骨骼樣品的表觀密度，即總重量除以總體體積(含孔隙體積)；通過多樣本測定，建立表觀密度與彈性模量間的關系；通過密度與CT值關系，將表觀密度與彈性模量的關系轉化為CT值與彈性模量的關系。

此方法所獲得的彈性模量是骨骼樣品整體的等效彈性模量，再通過表觀密度與CT值的關系，將整體等效彈性模量變?yōu)榕cCT值相關的分布量。受限于測量精度，樣品一般約為1cm³左右的立方體，無法反映骨骼內部如骨小梁等細微結構所對應的彈性模量，而CT掃描所呈現(xiàn)的體素遠小于樣品的大小，因此，利用樣品等效彈性模量推算樣品內部各組成部分的實際彈性模量具有一定的誤差。并且表觀密度包含孔隙體積，不同骨骼節(jié)段組織的孔隙大小及分布不同，在較大程度上影響密度測定結果的準確性。

現(xiàn)有技術二，超聲顯微方法：將骨骼樣品進行包埋，切片(約為1cm²X 0.5cm)；在超聲顯微裝置下進行超聲顯微掃描，獲得樣品的聲阻抗分布，并通過聲阻抗計算彈性模量分布；對片狀樣品進行CT掃描，獲得CT值分布，結合上一步，建立CT值與彈性模量的關系。

該超聲顯微方法需對片狀樣品進行，所獲得的數(shù)據(jù)為片狀樣品的厚度積累數(shù)據(jù)，對計算彈性模量的準確性有一定影響。片狀樣品需切割獲得，切割過程中可損傷樣品原有結構，造成測量值與實際值的差異。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述技術問題，本發(fā)明提出一種新的骨骼CT值與彈性模量關系測定方法，可為仿真研究提供更為準確的材料屬性依據(jù)。

具體技術方案為：

骨骼CT值與彈性模量關系確定方法，包括以下過程：

(1)獲得骨骼樣品，在進行測定前對將樣品進行必要的處理；

(2)將樣品固定于測試臺上，置于micro-CT內，在無加載條件下對樣品進行掃描，獲得micro-CT下骨骼的三維影像并以DICOM格式輸出；

(3)根據(jù)所測骨骼樣品受力特征，估算載荷大小，啟動加載裝置使樣品產生變形，進行掃描，獲得micro-CT下變形樣品的三維影像并以DICOM格式輸出；

(4)對兩次掃描的三維圖像數(shù)據(jù)進行體圖像分析，獲得樣品加載前后的三維實際應變場；

(5)對已知密度的均質骨骼組織標準塊進行micro-CT掃描，獲得三維影像并以DICOM格式輸出；讀取DICOM文件，獲得其中的rescale_slope即S和rescale_intercept即I參數(shù)，通過線性公式：HU＝GreyValue*S+I，計算三維的CT值HU分布狀態(tài)；同樣方法，將骨骼樣品加載前后的DICOM數(shù)據(jù)進行處理，轉化為CT值分布圖；

(6)骨骼密度ρ與CT值具有線性關系：ρ＝K﹒HU+1——方程1；基于骨骼組織標準塊的已知密度，確定K值，對于不同的micro-CT機器，HU的輸出有所不同，而標準骨塊的密度則可用于標定不同機型的K系數(shù)，將測試樣品的CT值分布圖轉化為密度分布圖；

(7)基于樣品加載前的micro-CT影像，通過圖像分割和三維重建，建立樣品外輪廓模型，并對該三維模型進行四面體網(wǎng)格劃分；

(8)將離散化的模型映射回micro-CT影像，將每個四面體網(wǎng)格內所包含的CT值進行平均，作為該四面體網(wǎng)格所對應的CT值，并通過步驟(6)中所確定的CT值與密度關系，轉化為基于模型網(wǎng)格的材料密度分布；

(9)建立彈性模量E與密度間的預測關系：E＝A+B·ρ^C——方程2，其中A、B、C為預測系數(shù)，并通過此關系以及網(wǎng)格中的密度數(shù)值，計算網(wǎng)格所對應的彈性模量數(shù)值，獲得基于模型網(wǎng)格的材料彈性模量分布；

(10)基于測試臺對骨骼樣品的加載方式建立骨骼樣品模型的邊界條件，結合步驟(9)中的彈性模量計算方法對材料進行賦值，應用有限元方法對模型進行計算，獲得計算所得應變場；

(11)對計算所得應變場和實際應變場進行比對，計算平均應變差絕對值，當平均應變差絕對值小于臨界值時，預測系數(shù)A、B、C即為所求，帶入方程1和方程2獲得針對該測試樣品骨骼組織的CT值與彈性模量關系；若平均應變差絕對值大于臨界值，基于應變能優(yōu)化方法調整預測系數(shù)，帶入步驟(9)、(10)、(11)進行迭代計算，直到平均應變差絕對值小于臨界值為止。

其中，步驟(3)中所述的加載裝置，包括作為外殼的碳纖維管腔，碳纖維管腔內包括依次連接的電機、減速機、驅動機構、力傳感器和端蓋；樣品放置于力傳感器和端蓋之間。

本發(fā)明將在不破壞骨骼組織的前提下，確定CT值與骨骼彈性模量的準確關系，建立可用于micro-CT內的，具有較大測試范圍的加載設備(口徑10cm)，以保證可置入如股骨頭等大關節(jié)，確保樣品的完整性；通過有限元反演計算方法，獲得與CT掃描體素相對應的骨骼組織的彈性模量。

本發(fā)明提供的骨骼CT值與彈性模量關系確定方法及其試驗加載裝置，為一種更為準確的CT值與骨骼彈性模量關系的確定方法，可為骨骼受力的仿真研究提供更加準確的材料賦值，提高仿真計算的準確性，從而使其能夠更加準確的應用于臨床預測和治療方案規(guī)劃。

附圖說明

圖1是實施例獲得micro-CT下骨骼的三維影像；

圖2是實施例三維模型的四面體網(wǎng)格劃分圖。

圖3是本發(fā)明的加載裝置結構示意圖。

具體實施方式

結合附圖說明本發(fā)明的具體實施方式。

骨骼CT值與彈性模量關系確定方法，包括以下過程：

(1)獲得骨骼樣品，在進行測定前對將樣品進行必要的處理；

(2)將樣品固定于測試臺上，置于micro-CT內，在無加載條件下對樣品進行掃描，獲得micro-CT下骨骼的三維影像并以DICOM格式輸出；三維影像如圖1所示。

(3)根據(jù)所測骨骼樣品受力特征，估算載荷大小，啟動加載裝置使樣品產生變形，進行掃描，獲得micro-CT下變形樣品的三維影像并以DICOM格式輸出；

(4)對兩次掃描的三維圖像數(shù)據(jù)進行體圖像分析，獲得樣品加載前后的三維實際應變場；

(5)對已知密度的均質骨骼組織標準塊進行micro-CT掃描，獲得三維影像并以DICOM格式輸出；讀取DICOM文件，獲得其中的rescale_slope即S和rescale_intercept即I參數(shù)，通過線性公式：HU＝GreyValue*S+I，計算三維的CT值HU分布狀態(tài)；同樣方法，將骨骼樣品加載前后的DICOM數(shù)據(jù)進行處理，轉化為CT值分布圖；

(6)骨骼密度ρ與CT值具有線性關系：ρ＝K﹒HU+1——方程1；基于骨骼組織標準塊的已知密度，確定K值，對于不同的micro-CT機器，HU的輸出有所不同，而標準骨塊的密度則可用于標定不同機型的K系數(shù)，將測試樣品的CT值分布圖轉化為密度分布圖；

(7)基于樣品加載前的micro-CT影像，通過圖像分割和三維重建，建立樣品外輪廓模型，并對該三維模型進行四面體網(wǎng)格劃分；如圖2所示；

(8)將離散化的模型映射回micro-CT影像，將每個四面體網(wǎng)格內所包含的CT值進行平均，作為該四面體網(wǎng)格所對應的CT值，并通過步驟(6)中所確定的CT值與密度關系，轉化為基于模型網(wǎng)格的材料密度分布；

(9)建立彈性模量E與密度間的預測關系：E＝A+B·ρ^C——方程2，其中A、B、C為預測系數(shù)，并通過此關系以及網(wǎng)格中的密度數(shù)值，計算網(wǎng)格所對應的彈性模量數(shù)值，獲得基于模型網(wǎng)格的材料彈性模量分布；

(10)基于測試臺對骨骼樣品的加載方式建立骨骼樣品模型的邊界條件，結合步驟(9)中的彈性模量計算方法對材料進行賦值，應用有限元方法對模型進行計算，獲得計算所得應變場；

(11)對計算所得應變場和實際應變場進行比對，計算平均應變差絕對值，當平均應變差絕對值小于臨界值時，預測系數(shù)A、B、C即為所求，帶入方程1和方程2獲得針對該測試樣品骨骼組織的CT值與彈性模量關系；若平均應變差絕對值大于臨界值，基于應變能優(yōu)化方法調整預測系數(shù)，帶入步驟(9)、(10)、(11)進行迭代計算，直到平均應變差絕對值小于臨界值為止。

如圖3所示，所述的加載裝置，包括作為外殼的碳纖維管腔5，碳纖維管腔5內包括依次連接的電機1、減速機2、驅動機構3、力傳感器4和端蓋6；樣品放置于力傳感器4和端蓋6之間。

碳纖維管腔5為裝置的外殼，10cm直徑，用于保護結構支撐和樣品保護，并具有X射線遮擋作用。樣品放置于力傳感器4末端，與端蓋6連接。運行時，將加載裝置推送到micro-CT腔內，電機1、減速機2啟動，傳導至驅動機構3，驅動機構3以絲杠方式螺旋推進，在驅動機構3平移，從而對樣品產生加載效果。力傳感器4讀取準確的應力數(shù)據(jù)，傳導至計算平臺，結合micro-CT掃描數(shù)據(jù)，進行后續(xù)體圖像相關性分析、應變場分析、應力場計算和彈性模量場反演。