本發(fā)明涉及計算機(jī)輔助技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于有限元的彈性軟組織的形貌效果預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

乳房是女性的象征和體形美的標(biāo)準(zhǔn)之一，其主要結(jié)構(gòu)由皮膚、脂肪組織、乳腺構(gòu)成，其中乳腺組織和脂肪的多少決定乳房的大小。乳房的形貌不僅受這些組織的影響，也受到乳房上方皮膚下的懸韌帶支撐的影響。

因為乳房本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，當(dāng)前主流的隆乳手術(shù)預(yù)測是基于手術(shù)前施術(shù)者通過和受術(shù)者的口頭的交流，從受術(shù)者那里得到欲求的隆乳效果，并依賴于施術(shù)者手術(shù)經(jīng)驗和對于乳房形態(tài)美的認(rèn)知。除此之外，受術(shù)者在仰臥位時的手術(shù)效果與站立位時往往相差很大，往往仰臥位時具有很好的形態(tài)效果，但是在站立位時形態(tài)效果卻不佳。因此研究乳房的形貌效果預(yù)測有利于提前了解手術(shù)效果，并提高手術(shù)的精確度。

有限元分析法作為力學(xué)研究領(lǐng)域的最重要的方法之一，目前已被廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)的研究，能夠分析人體組織內(nèi)及組織之間的復(fù)雜力學(xué)過程，預(yù)測力學(xué)作用產(chǎn)生的效應(yīng)（如物體的應(yīng)力、應(yīng)變、形狀等的變化），并且能夠在計算機(jī)上直觀顯示與輸出計算結(jié)果以供分析，具有可重復(fù)性，節(jié)約實驗成本、實驗條件易控制等優(yōu)點，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的乳房形態(tài)預(yù)測過程完全靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗來預(yù)測的不足。

目前，楊資洋cn104915519a的專利涉及到使用有限元方法對顱頜面骨模型進(jìn)行建模分析。楊專利中是對人體硬組織進(jìn)行建模和有限元分析。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于有限元的彈性軟組織的形貌效果預(yù)測方法，構(gòu)建可用于預(yù)測不同體位的有限元計算分析的人體乳房形態(tài)預(yù)測模型。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下，一種基于有限元的彈性軟組織的形貌效果預(yù)測方法，包括以下步驟：把人體乳房模型分成三個主要部分，再重新組合成一個實體整體，最終通過有限元對該三維有限元模型進(jìn)行預(yù)測分析。

其中，乳房的三個主要部分具體如下：皮膚、乳腺分離形成單獨的網(wǎng)格模型，再將剩余部分通過布爾運算分離出來作為脂肪組織。

具體步驟如下：

1.對人體在俯臥位時進(jìn)行乳房mri掃描，得到原始mri數(shù)據(jù)集，以dicom格式導(dǎo)出。

2.將數(shù)據(jù)集導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像控制軟件中，通過閾值分割、空腔填充、編輯蒙版，重建人體單側(cè)乳房的三維模型?；诓煌M織的閾值的不同，手動將乳房分離形成單獨的皮膚和乳腺的面網(wǎng)格模型，再通過布爾運算分離出剩余的部分形成獨立的脂肪網(wǎng)格模型。

3.分別將獨立的三部分面網(wǎng)格模型導(dǎo)入逆向工程軟件中修復(fù)畸形網(wǎng)格，消除多余的幾何點、面，修復(fù)自相交的線和面，調(diào)整網(wǎng)格大小和質(zhì)量。將修復(fù)好的面網(wǎng)格模型進(jìn)行曲面生成，生成nubrs曲面，并以此創(chuàng)建各部分三維cad實體模型。

4.將生成的三部分的三維cad實體模型分別導(dǎo)入有限元軟件，軟件對皮膚、脂肪、乳腺實體模型賦值，分別設(shè)定相應(yīng)的密度、彈性模量和泊松比值。

5.按照分割前的位置和形態(tài)默認(rèn)進(jìn)行拼接，形成整體。將乳房的三個部分劃分成體網(wǎng)格，手動綁定各個組織之間的接觸面，設(shè)置接觸模式為bonded，形成最終的組裝體。

6.設(shè)置軟件中加速度的大小和方向來產(chǎn)生不同體位時重力的影響，模擬站立位和仰臥位時乳房真實的受力情況，進(jìn)行乳房形變的預(yù)測。

本發(fā)明操作簡單、具有可視化、時間成本低，充分利用醫(yī)生在mri或ct等醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域的辨識能力來處理組織器官的三維重建，避免了依靠計算機(jī)編程來解決醫(yī)學(xué)圖像問題對醫(yī)生的困擾。本發(fā)明能預(yù)測多種不同組織構(gòu)成的器官的形貌效果預(yù)測，較通常只能處理單一硬組織的形貌效果預(yù)測的人體組織有限元分析方法，應(yīng)用領(lǐng)域更寬廣。

附圖說明

圖1為人體乳房的三維有限元模型的建模流程圖；

圖2為軟件分割后的人體乳房各組織的面網(wǎng)格三維模型；其中（a）表示乳房,（b）表示乳房皮膚,（c）表示乳腺,（d）表示乳房脂肪

圖3為人體乳房各組織的三維cad實體模型；其中（a）表示乳房皮膚，（b）表示乳腺，（c）表示乳房脂肪，(d)表示組裝的乳房整體

圖4為人體單側(cè)乳房在仰臥位和站立位時的形變結(jié)果圖；其中（a）表示仰臥位形變結(jié)果圖，（b）表示站立位形變結(jié)果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明首先，建立單側(cè)乳房的三維有限元模型。采用mri掃描人體乳房組織，獲取原始數(shù)據(jù)，通過三維重建軟件重建出人體皮膚、脂肪和乳腺的三維模型，并將重建的模型組裝為整體的三維有限元模型。其次，對三維模型進(jìn)行對應(yīng)組織的屬性賦值，同時劃分相應(yīng)程度的體網(wǎng)格。最后，模擬乳房在人體站立位和仰臥位時受重力影響，預(yù)測其隨之產(chǎn)生的相應(yīng)形變。具體包括以下步驟：

1.掃描人體在俯臥位時的乳房，得到原始mri數(shù)據(jù)，以dicom格式導(dǎo)出。

2.將dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入mimics10.0軟件，通過閾值分割、空腔填充、編輯蒙版，劃分出所需的組織區(qū)域，并重建出人體單側(cè)乳房三個部分（皮膚、乳腺、脂肪）的面網(wǎng)格三維模型。（圖2）

3.分別將獨立的三部分面網(wǎng)格模型導(dǎo)入逆向工程軟件geomagicstudio12軟件中修復(fù)不規(guī)則網(wǎng)格，消除多余的幾何點、面，修復(fù)自相交的線和面，調(diào)整網(wǎng)格大小和質(zhì)量。修復(fù)好的面網(wǎng)格模型進(jìn)行曲面生成，生成nubrs曲面，并以此創(chuàng)建各部分三維cad實體模型。將生成的三部分三維cad實體模型分別導(dǎo)入有限元軟件ansys15軟件，基于分隔前的位置和形態(tài)進(jìn)行自動組裝，形成乳房組裝體（圖3）。

4.在ansys15軟件中，對皮膚、脂肪、乳腺實體模型賦值，分別設(shè)定相應(yīng)的密度、彈性模量和泊松比值。

5.在ansys15軟件中，按照分割前的位置和形態(tài)默認(rèn)進(jìn)行拼接，形成整體。將乳房的三個部分劃分成體網(wǎng)格，手動綁定各個組織之間的接觸面，設(shè)置接觸模式為bonded，形成最終的組裝體。

6.在ansys15軟件中，軟件中設(shè)置加速度的大小和方向來產(chǎn)生不同體位時重力的影響，模擬站立位和仰臥位時乳房真實的受力情況，進(jìn)行乳房形變的預(yù)測。(圖4)

綜上，本發(fā)明不僅適用于模擬組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜的乳房的形變，而且更適用于組織結(jié)構(gòu)單一的彈性軟組織器官，例如肌肉等。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于有限元的彈性軟組織的形貌效果預(yù)測方法。本發(fā)明首先建立單側(cè)乳房的三維有限元模型。采用MRI掃描人體乳房組織，獲取原始數(shù)據(jù)，通過三維重建軟件重建出人體皮膚、脂肪和乳腺的三維模型，并將重建的模型組裝為整體的三維有限元模型。其次對三維模型進(jìn)行對應(yīng)組織的屬性賦值，同時劃分相應(yīng)程度的體網(wǎng)格。最后，模擬乳房在人體站立位和仰臥位時受重力影響，預(yù)測其隨之產(chǎn)生的相應(yīng)形變。本發(fā)明操作簡單、具有可視化、時間成本低，充分利用醫(yī)生在MRI或CT等醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域的辨識能力來處理組織器官的三維重建，避免了依靠計算機(jī)編程來解決醫(yī)學(xué)圖像問題對醫(yī)生的困擾。

技術(shù)研發(fā)人員：史廷春;董冬偉;岳秀艷;欒杰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：杭州電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.27
技術(shù)公布日：2017.09.05