锁骨的数字可视化模型研究

王玉娇，钱秋红，孟振华，李孝林 (长江大学医学院， 湖北 荆州 434023)

锁骨的数字可视化模型研究

王玉娇，钱秋红，孟振华，李孝林 (长江大学医学院， 湖北 荆州 434023)

目的：研究锁骨数字可视化模型建立方法，为锁骨的数字化研究提供模型。方法：正常成人志愿者1名，对其锁骨进行层厚0.625mm，间距为0的CT连续扫描，所得图片以Dicom格式刻盘保存，导入Mimics软件建立三维数字几何模型，并进行相关解剖学测量研究，将几何模型导入ANSYS软件建立有限元模型并进行生物力学研究。结果：重建的锁骨三维几何模型和有限元模型外形逼真、生物力学响应真实，可进行解剖学测量和生物力学研究。结论：本研究所建立的锁骨数字化模型可被用于锁骨的数字化研究。

锁骨；三维重建；模型；解剖学

锁骨连接肩胛带和躯干，有稳定上肢带的作用，其外形呈“S”型，极不规则，缺乏固有的髓腔，周围缺乏软组织的保护。正是因为其解剖结构的特殊性，临床上锁骨骨折发病率较高[1]，而且其治疗失败率也较高[2]。锁骨还可以作为供骨用于临近骨组织的缺损以及感染的治疗[3]。以往对锁骨的研究多借助尸体标本，在数字医学不断发展的今天，应用数字技术研究骨骼、人体越来越显现出优势，本研究在以往研究的基础上重建了锁骨的几何数字模型和有限元模型，并进行了有关数字解剖、生物力学的初步研究，探讨锁骨的数字研究方法。

1 资料与方法

1.1原始资料采集

男性健康志愿者1名(25岁，身高177cm，体质量70kg)，签订知情同意书后行X线检查排除骨骼异常情况，用Philips64螺旋CT对左侧锁骨沿横断面连续扫描。扫描条件：选择骨组织窗，电压120kV，像素0.43mm，层厚0.625mm，共228层。扫描数据以Dicom3.0标准直接存入光盘备用。

1.2建模环境

电脑配置:AMDAthlon64 3200+中央处理器、2G内存、19寸液晶显示器、64M显存、ATI 8550显卡、Windows XP/Professional操作系统；软件:医学3D图像生成及编辑处理软件Mimics 10.01、大型有限元分析软件Ansys10.0。

1.3几何数字模型的建立

以Mimics软件读入Dicom格式的CT原始图像，经图像定位、组织图片、内插值处理，界定骨组织阈值在226～1476HounsField单位，软件自动形成各层面骨组织表面轮廓线，行图像边缘分割出锁骨，图像经编辑、补洞处理，去除无关边缘杂点和冗余数据，经区域增长，选择Custon 3D计算方式计算建立锁骨几何模型。

1.4有限元模型的建立

将生成的锁骨几何模型在Mimics内进行面网格的精度精减，重新计算3D后减少网格三角形数量，将精减后面网格定义为后缀名.lis的ANSYS文件。Ansys10.0读入锁骨三维面网格模型，首先生成大体，添加单元，定义单元大小后自动划分单元，利用Mimics软件中FEA模块的material功能根据骨骼结构的CT值应用相关经验公式自动分级赋值，其材质被定义为10级。将赋值后的模型读入到Ansys10.0中即生成锁骨的有限元模型。

1.5数字解剖学研究

以Mimics10.0软件的三维测量功能对每个重建标本分别测量内外侧两个凸出的角度，外侧端、中外1/3交界处、中内1/3交界处以及内侧端四点的上下径和前后径。

1.6生物力学分析

将建立的有限元模型内侧段(胸骨端)节点约束(设定各方向位移为0)，给予模型外侧端(肩峰端)一个大小为1480N、方向朝向内侧的集中载荷力。

2 结 果

分别建立了锁骨的几何数字模型和有限元模型(见图1、图2)，其解剖测量见图3，生物力学分析结果见图4。

图1 锁骨的几何数字模型 图2 锁骨的有限元模型

图3 锁骨的数字解剖测量

图4 锁骨的力学分析

3 讨 论

3.1数字骨科的优势

数字骨科学是近几年来随着数字医学的不断发展而提出的一个概念，经过基础和临床的不断探索，已取得了不少的成绩。其利用数字化研究手段，主要用于骨折生物力学、骨折的三维诊断、手术模拟、快速成型、个性化医疗产品和辅助设计等领域。随着应用的不断深入，其优势不断体现。在生物力学方面通过建立有限元模型，可以任意施加载荷，其所建模型可被重复应用，分析结果可以多种形式显示，和传统生物力学研究方法最大的不同就是可以显示内部结构的力学特性。通过建立病人骨折的数字模型可以更加全面的了解骨折的类型，而且可以随意旋转、剖切，使骨折的诊断更加精确、全面。通过建立骨骼模型并快速成型做成样品，可进行术前模拟，使术者做到心中有数，从而保证手术的效果，尤其是比较难的骨肿瘤切除、畸形矫形、功能重建等手术通过术前模拟能大大节约手术时间、减少手术失误[4]。随着人们生活水平的提高，对医疗质量的要求越来越高，个性化的医疗服务越来越被重视，在骨科手术中，个性化的内固定器械更利于手术的操作和患者功能的恢复，利用数字化技术进行个性化医疗器械的设计使这一要求变成现实。

3.2锁骨的数字研究现状及展望

锁骨是骨骼创伤的多发部位，骨折的治疗失误率较高，为了更好地治疗锁骨骨折，不少研究者从基础和临床进行了广泛研究，涉及到解剖、生物力学、内固定器械的设计等多个方面[5-6]，研究的方式从传统的尸体标本研究到数字研究。随着数字骨科学的发展，锁骨的数字化研究也取得了很大的发展，建立的数字模型更加精确，建模的方法更加简捷，所建模型被用于锁骨的骨性解剖研究、锁骨骨折的生物力学研究以及锁骨骨折的内固定材料研究等方面[7-8]。但由于数字骨科尚处于起步阶段，锁骨的数字研究尚需进一步深入，比如有限元模型的真实性尚待进一步提高。

3.3本研究所建模型的优点

本研究通过分别建立锁骨的几何数字模型和有限元模型进行相关解剖和生物力学研究，其所得结论科学有效，从而证明了所建模型的有效性。本研究建模的原始资料来源于健康成人，通过精细CT扫描保证建模资料的完整性，从而保证了所建模型的真实性，使其研究结果更具说服力。本研究建模基本由计算机生成，极少掺杂人为因素的干扰，从而最大程度的避免了研究者个人对模型的影响，减少了模型的主观性，增加了其客观性，使模型更具有代表性。本研究所见有限元模型在赋值时将材料特性分为10级，依据原始资料的CT值进行定义，使模型的材料特性更加复杂，避免了以往建模简单地将材质定义为皮质骨和松质骨的不足，从而使模型的材料特性更加接近于真实。

数字模型是对真实地模拟，由于受各方面条件的影响，所有模型和真实之间尚有一定的差距。本研究所建锁骨数字模型也还需进一步改进，尤其是有限元模型，其材料特性不能达到各向异性，其赋值方法、建模软件还需不断更新，使模型的仿真程度更高。

[1]翟桂华.骨与关节损伤[M].3版,北京:人民卫生出版社,2003：496-505.

[2]卢海燕,黄长明,王建雄,等.锁骨骨折内固定术后失败原因分析及对策[J].实用骨科杂志,2010,16(3):199-201.

[3]严世贵,叶招明,杨迪生,等.肱骨近端恶性肿瘤的保肢治疗[J].中华骨科杂志,2000,20(7):416-420.

[4]Handels H,Ehrhardt J, Plotz W,et al.Three-dimensionalplanning and simulation of hip operations and computerassisted construction of endoprostheses in bone tumor surgery[J].ComputAided Surg, 2001, 6:65-76.

[5]许本柯,舒先涛,周文明,等.锁骨解剖观察及临床意义[J].解剖学研究,2001,23(3):224.

[6]石文俊,石继祥,曹成福,等.重建钢板不同放置方法治疗锁骨中段粉碎性骨折疗效比较[J].临床骨科杂志,2010,13(1):114-115.

[7]王玉娇, 李孝林.锁骨的数字三维可视化重建及解剖学测量[J].解剖学杂志,2011,34(5)：631-633.

[8]杨志勇,程黎明,涂熙,等.锁骨三维有限元模型的建立及生物力学分析[J].第二军医大学学报,2008,29(11):1316-1319.

10.3969/j.issn.1673-1409(R).2012.07.033

R323.24

A

1673-1409(2012)07-R071-03

2012-05-150

国家创新性实验计划资助项目(101048907)；荆州市科技局计划项目(2011)

王玉娇(1989-)，女，湖北襄阳人，主要从事数字医学研究工作;通讯作者：李孝林(1976-)，E-mail：peterlee869@163.com。

[编辑] 何 勇