基于CT数据建立髋关节三维有限元模型的研究

张海峰，宋翠荣，庞　胤，赵文涛，吴　岳，赵长义，任国山

（1.沧州医学高等专科学校，河北 沧州　061001；2.河北医科大学，河北 石家庄　050061）

基于CT数据建立髋关节三维有限元模型的研究

张海峰1，宋翠荣1，庞胤1，赵文涛1，吴岳1，赵长义2，任国山2

（1.沧州医学高等专科学校，河北 沧州061001；2.河北医科大学，河北 石家庄050061）

目的：建立髋关节三维有限元模型，并验证其有效性，以用于后续的生物力学分析。方法：选取1名志愿者，采集髋部CT数据，导入软件Mimics 14.0软件，建立髋三维几何模型，再经Ansys13.0软件划分网格、赋材质，建立三维有限元模型。在此模型上施加220N髋关节正立位的模拟体重压力，其应力分布与相关文献对照。结果：成功建立了髋关节三维模型和有限元模型，节点数为284 183个、单元数为160 665个。在模拟重力作用下，应力分布与之前的实验结果一致。结论：建立的三维有限元模型其有良好的仿真性，可以用于临床生物力学分析。

髋关节；体层摄影术，螺旋计算机

髋关节是人体关节窝最深、最典型的杵臼关节，主要由髋骨和股骨两部分通过髋臼和股骨头连接在一起。随着社会老龄化，髋关节损伤的发病率逐年增高［1］，如关节脱位、骨折等。相关研究表明一切损伤的本质是力的改变［2］，由于髋关节形状不规则，不易模拟，有关髋关节的力学研究相对不足。进行力学分析，必须要建立一正常有限元模型，近年来，利用计算机模拟软件运算建立三维模型成为了研究的热点，方法众多，但大部分过程描述都比较简单，笔者结合实际操作，简述利用CT数据建立三维有限元模型的过程，以便进一步后续的生物力学分析。

1　材料与方法

1.1实验设备

CT：美国GE公司Light sPeed 64排螺旋CT机。电脑硬件：酷睿双核CORE i7台式电脑；硬盘：500G；内存：4G；显示器：双21寸宽屏液晶型；显卡：9600GT。

软件：Mimics14.0评估版 （Materialise公司）；Ansys13.0（美国ANSYS公司），3-Matic5.1。

1.2实验对象

选取1名成年男性志愿者作为模拟对象，为保证所建模型具有代表性，根据 《中国成年人人体尺寸》国家标准50百分位数据，35岁，身高176 cm，体质量66 kg。要求：身体健康，预先行髋关节X射线检查排除畸形和损伤情况。实验前告知其相关内容，并征求其同意。

1.3实验步骤及方法

1.3.1CT图像扫描

要求模拟对象仰卧于扫描床上，髋部放松，双膝关节伸直、并拢，全髋关节位于扫描视野的中心，保持纵轴方向不动，调节CT扫描条件，选择髋部视窗，调整扫描层厚度。扫描范围自髋骨上缘5 cm至股骨上段1/2左右。扫描参数设定为：电压120 kV，电流280 mA，层厚1.25 mm，床进速度1.3 mm/s。最终获得完整的盆区CT平扫影像数据，252幅断层扫描二维图像，分辨率为512×512像素，扫描图像数据以DICOM格式存储到可读写光盘中。

1.3.2图像导入

将CT扫描图像中含有髋关节结构连续的201幅图像导入到MIMCS14.0软件中。Mimics14.0软件能自动读取CT图像的大部分信息，但方向需要手动定义。对导入的原始图像进行ToP、Bottom、Left、Right、Anterior、Posterior六个方向设定，保证重建的三维模型方向与人体坐标轴方向一致；然后点击转换按钮生成导入后的界面，如图1所示。包含三个断面图像：右上方为横断面，左上方为冠状面图像，左下方为矢状面图像，右下方为生成模型的三维视窗。

图1　将CT图像导入到Mimics14.0建模软件。Figure 1.ImPort CT Picture data into the Mimics14.0 software.

1.3.3组织提取与三维重建

用Mimics14.0软件打开CT数据文件，利用阈值调整工具（Thresholding）依据CT的灰度值提取髋骨轮廓，轮廓的阈值设定为Bone（CT）226～307 1 HU，自动生成蒙板（Mask）。

然后利用区域增长工具（Region growing）在髋骨范围内选择热区，点击“建模”命令，即可生成髋骨模型。若有任何一点和骶骨或股骨相连，则需利用选择性编辑工具（Edit masks）分割髋骨和股骨或骶骨之间的蒙板，去除髋骨以外的蒙板区域［3-5］。同样操作，建立股骨、骶骨的三维模型。

最后，将髋骨、股骨上段和骶骨的蒙板分别通过计算（Calculate 3D from mask）生成了各骨三维几何模型（图2）。

图2　双侧髋骨和股骨的三维立体模型。Figure 2.Three-dimension model of bilateral hiP and femur.

将三维模型通过FEA模块的Remesh功能进行光滑处理，最终得到的模型结构完整、表面光滑。此类模型不含有冗余的数据，收敛性好，方便导入Ansys13.0软件进行运算。

1.3.4网格的生成和优化

将光滑处理后的各骨三维模型导入3-Matic5.1软件中，进行网格划分。网格划分的主要步骤包括：设置单元参数、由面生成体、设定体单元类型、划分体网格、测试网格质量五步。

网格划分后需要使用网格医生功能检查网格片质量并修复和优化。把优化后的网格模型导入软件ANSYS 13.0前处理模块，再次划网格，导出网格模型文件，包括1个髋骨文件、1个股骨文件 （图3～5）。点击ExPort菜单“输出有限元模型”，选择Ansys对应的“*.cdb”格式保存。

1.3.5材料设定

综合蔡兵、王以进［6］的试验结果，将骨密质的弹性模量设为10 000 MPa，泊松比设为0.3；骨松质的弹性模量设为1 000 MPa，泊松比设为0.3。

1.3.6设定约束和选择接触关系及有效性检验

在Ansys13.0中进行髋关节受力分析，对股骨上段下端横断面进行约束（Fixed SuPPort），没有位移和转动。髋臼和股骨头之间的接触关系设定为：“No SeParation”。

每侧下肢为体质量的1/6，上身占2/3的体质量，一侧承担1/3的量［7］。其体质量承重载荷以220N的轴向正压力模拟，观察髋骨和股骨的Von Mises应力分布及位移情况，验证模型的有效性。

图3　左侧髋骨的三维网格模型。　图4　左侧股骨上段的三维网格模型。　图5　左侧髋关节三维网格模型后面观。Figure 3.　Three-dimension mesh model of left hiP bone.　Figure 4.　Three-dimension mesh model of left femur.Figure 5.Three-dimension mesh model of left femur and hiP bone back view.

2　结果

采集的CT图像解剖结构显示清晰，导入Mimics 14.0软件，经过设定阈值，提取蒙板，分割，修补以及表面光滑处理，成功的建立了双侧髋骨、骶骨和股骨上段的三维几何模型（图2）。模型形象逼真、结构完整、表面光滑、立体感强，可以赋予不同色彩，任意组合显示与隐藏，随意缩放和旋转、精确测量任意两点间的距离，具有良好的视觉效果。

运用3-Matic模块，对所建模型网格划分，赋材质，生成三维有限元模型。髋骨骨密质节点数为132 275个、单元数为76 394个，髋骨骨松质节点数为57 138个、单元数为30 968个，股骨骨密质节点数为62 111个、单元数为34 392个，股骨骨松质节点数为32659个、单元数为18911个（图6～9，表1）。

经设定材料属性、接触关系，约束、加载，得出应力力分布云图（图10，11）。和体外生物力学实验数据进行对比验证，与已有文献数据高度吻合，表明该模型具有良好的生物逼真度，可用于生物力学分析。

表1　有限元模型节点和单元的数量

图6　左侧髋骨骨密质的三维有限元模型。　图7　左侧髋骨骨松质的三维有限元模型。　图8　左侧股骨骨密质的三维有限元模型。图9　左侧股骨骨松质的三维有限元模型。Figure 6.　Three-dimension finite element model of hiP bone comPact substance.　Figure 7.　Three-dimension finite element model of hiP bone Cancellous substance.　Figure 8.　Three-dimension finite element model of femoral comPact bone.　Figure 9.　Three-dimension finite element model of femoral cancellous substance.

图10　模拟300N正压力下的应力分布图前面观。　图11模拟300N正压力下的应力分布图左侧观。Figure 10.　Distribution of total stress under 300N axial force on the anterior view.　Figure 11.　Distribution of total stress under 300N axial force on the left lateral view.

3　讨论

人体器官三维模型重建包括三种方法［8］：通过CAD软件、通过人体断层图像、通过CT，MRI影像数据建模。由CAD软件所建的模型表面粗糙，与人体解剖结构存在差异，人体断层图像法建模提取组织器官轮廓时丢失信息较多，模型精确度不高。基于CT数据建模是通过扫描，利用逆向工程软件进行器官三维重建。此类模型生物仿真度高，建模速度快。

本研究所建髋关节模型的精度较高，整个模型达节点数为284 183个、单元数为160 665个，超过相关文献建立有限元模型。在骨性结构赋材质方法上，根据骨质不同部位的密度进行赋值，这样使模型更符合生理特点。有限元分析软件选用的是最新版的ansys13.0，建模软件选用的是最新版的Mimics14.0，目前国内应用的还较少。

建模成功的关键一：CT扫描图像的清晰度，扫描图像越清晰，所建模型视觉效果越好［9］。机器工作时不可避免地震动，产生噪声，所以必须对图像进行滤波和平滑处理，以抑制噪声，提高信噪比，增强图像特征。遵循的原则：尽最大程度地保持信号不丢失，不能损坏图像的边缘轮廓；尽最大程度的滤除噪点。

关键二：阈值的选取，轮廓边缘信息提取的越清晰完整、三维重建运算速度越快、准确性越好［10］。

关键三：毛刺和空洞，若图像中不同结构分割不完整，生成的模型表面不光滑，包含一些不需要的结构，将形成毛刺；若图像内部丢失结构，将形成空洞。存在毛刺、空洞的髋模型不能进行有限元研究［11-13］，必须进一步修整。利用选择性编辑（Edit masks）工具中的Draw、Erase、Threshold功能，擦去毛刺，填满空洞；且需要反复验证，达到模型表面的最光滑。这一过程极其繁琐，耗时，必须做好，如果这一环节没处理好，将无法执行以后的操作，导致整个建模的失败。

关键四：网格优化。优化就是提高网格质量，减小网格单元数量。一般情况，单元类型应尽量选择六面体和五面体，由于髋骨形状不规则，不满足六面体和五面体映射划分的拓扑结构，只能选择三棱四面体单元［14］。质量不好的四面体需手动标记、更改、合并或删除，再经过网格自交测试，保证没有相交或坏边的四面体，这样可以减小模型的几何误差，可以进行力学分析［15］：应力峰值、承载区、力矩分布等。

本研究成功建立了髋关节的三维有限元模型，尚存在不足：本模型仅包含了髋骨和股骨，没有建立肌肉和韧带，在后续研究中逐渐完善解剖结构及确定其各项参数，更好的模拟真实情况，促进生物力学的发展。

［1］Bachiller FG，Caballer AP，Portal LF.Avascular necrosis of the femoral head after femoral neck fracture［J］.Clin OrthoP Relat Res，2002，399:87-109.

［2］赵焕彬，王海涛，刘建国.男子短跑运动员上下肢关节力矩的研究［J］.中国体育科技，2006，42（1）：23-24.

［3］Lan J，Chen QX，Zhai XJ.The change of shaPe and curvature in degenerative lumbar disc and its clinical significance［J］.Chin J Clin Anat，2005，23（2）:157-159.

［4］Lu YM，Hutton WC，GharPuray VM.Can variations in intervertebral disc height affect the mechanical function of the disc［J］. SPine，1996，21（19）:2208-2216.

［5］赵璐璐.颅脑阻抗特性三维建模及磁感应成像仿真研究 ［D］.沈阳：沈阳工业大学，2013.

［6］蔡兵，于沈敏，林文，等.人工肱骨头假体柄界面剪切应力的生物力学研究［J］.创伤外科学杂志，2013，15（3）：233-236.

［7］郝正玮，李建民，赵雅宁，等.下肢康复训练机器人的研究进展［J］.中华物理医学与康复杂志，2012，34（11）：862-863.

［8］姜广宗，李学锋，聂林，等.利用MIMICS和ABAQUS建立正常人颈椎的三维有限元模型 ［J］.中国矫形外科杂志，2013，21（11）：1114-1119.

［9］张元科，张军英，卢虹冰.低剂量CT投影图像噪声分析及去噪算法研究［J］.光电子激光，2010，21（7）：1076-1077.

［10］束搏，邱显杰，王兆其.基于图像的几何建模技术综述［J］.计算机研究与发展，2010，47（3）：551-552.

［11］朱希田.寰椎后路置钉通道的三维CT分析及临床应用 ［D］.北京：北京协和医学院，2013.

［12］杨治荣，李勇杰，马腾.三维数字人脑模型的构建与验证［J］.第二军医大学学报，2011，32（3）：291-294.

［13］姜广宗，李学锋，聂林，等.利用MIMICS和ABAQUS建立正常人颈椎的三维有限元模型 ［J］.中国矫形外科杂志，2013，21（11）：1114-1120.

［14］张玉峰，朱以文.有限元网格自动生成的典型方法与研究前瞻［J］.武汉大学学报，2005，38（2）：54-55.

［15］古成中，吴新跃.有限元网格划分及发展趋势［J］.计算机科学与探索，2008，2（3）：249-250.

Establishment of a 3D finite element model of human hip joint based on CT data

ZHANG Hai-feng1，SONG Cui-rong1，PANG Yin1，ZHAO Wen-tao1，WU Yue1，ZHAO Chang-yi2，REN Guo-shan2（1.Cangzhou Medical College，Cangzhou Hebei 061001，China；2.Hebei Medical University，Shijiazhuang 050061，China）

Objective：To establish a 3D finite element model of human hiP joint and verify its validity，to be used for subsequent biomechanical analysis.Method：The hiP joint in one healthy adult male volunteer was scanned by CT.The 3D finite element model of the hiP joint was constructed with Mimics and Ansys software.The simulated weight Pressure of hiP uPright Position was aPPlied to this model，the stress distribution was comPared with the related literature.Result：The 3D finite element model of human hiP joint was established successfully，including 284 183 Points of 160 665 units.Under the action of simulated gravity，the stress distribution was in agreement with Previous exPerimental results.Conclusion：The established 3D finite element model had good simulation and could be used in the clinical biomechanics analysis.

HiP joint；TomograPhy，sPiral comPuted

R322.72；R814.42

A

1008-1062（2015）09-0667-04

2015-02-05；

2015-02-13

张海峰（1981-），男，河北沧州人，讲师。

任国山，河北医科大学解剖教研室，050061。