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以有限元分析為目標的Mimics頸椎建模方法

發布於:2024-07-14 21:26
有限元分析

      模型問題是進行生物力學有限元分析首先要解決的問題,也是難題,模型的好壞是後續網格劃分和有限元分析的基礎,直接關係到有限元計算的精度和速度。當前,有限元分析醫學課題常采用的三維建模的軟件是Mimics(Materialise Interactive Medical Image Control System),其中文名稱是數字化三維醫學影像交互式處理係統,由比利時Materialise公司推出,具有先進完善的醫學圖像建模功能,它提供了斷層掃描圖片到生物力學有限元分析的橋梁。
      Mimics三維建模功能強大,操作步驟簡單,成為眾多醫學研究人員進行三維重建的首選軟件。但是公開發表的文章卻極少敘述如何操作該軟件,在操作過程中應該注意哪些問題。本文以C3、四個頸椎的三維模型重建為例,闡述其操作方法及注意要點、取得頸段CT斷層圖像227張,層間距0.7mm,導入Mimics醫學圖像處理軟件,確定圖像的前後、左右、上下的正確方位,選取合適的對應骨組織的灰度7值,最小150,最大3071,得到將各張CT斷層圖像骨區以彩色填充的數據集,包括有皮質骨區和鬆質骨區C3域,先選擇包含C3的所有斷層圖片,去除C上麵非的骨區顯色區域,去除C下麵非C的骨區顯色區得到C整體區域。
      相鄰頸椎在上下關節突處難以區分,本研究使用Mimics軟件中的蒙罩編輯(EditMasks)工具,選擇Circle方式,將其Width和Height都設置為一個象素,沿間隙的中間劃分,間隙各半歸屬於相鄰椎骨的上下關節突。
      上述步驟得到的顯色的骨區不完善,有的在鬆質骨區有很多孔洞,有的將非C3、頸椎的區域也著色,使用軟件自帶的編輯工具,調整修飾每一張斷層圖片的顯色區域。
      采用“Calculate3D”命令分別將C3、所屬斷層圖像三維重建,得到C四個頸椎初步的三維模型。
      經過Mimics醫學圖像處理軟件三維重建得到C3四個頸椎模型。頸椎的典型結構清晰可見:橢圓形的相體、椎弓、略呈三角形的椎孔、分叉的棘突、有孔的榷突、上下關節突和椎體鉤等。椎體和椎體之間的間隙C7現出前後低、中間高的特征,上下關節突吻合緊密。匹個頸椎椎骨的三角片和節點數量。
      使用Mimics醫學圖像處理軟件重建頸椎三維模型過程中涉及到多項參數的選擇,這些參數的選擇與所建模型的質量密切相關。
      對應骨組織的灰度7值取值適當與否不僅關係到所建模型的正確,也關係到後麵編輯的工作量。7值最小門限過低,取色區域範圍就較大,會將骨區周邊的一些非骨組織虛影也囊括進來,所建立的三維模型會較肥大;而7值最小門限過高,取色區域就較小,鬆質骨區著色範圍會不足,斷層麵圖上著色區會有很多孔洞,所建立的三維模型內部會存在極難處理的多個空洞。門限值偏差越大,所建立的三維模型質量越差,後期的修整工作量也越大。
      Mimics醫學圖像處理軟件自帶有成人和兒童的骨、皮質骨、鬆質骨、脂肪、皮膚、軟組織等多種材質的閡值,例如骨組織:2263071。不過,因為CT斷層圖像數據的來源CT機類型多種多樣,同一CT機的參數也可自行調整,每一套CT斷層圖像數據的灰度閡值都會有所不同,所以灰度取色7值最好自行調整,調整的標準是將所有皮質骨全部包括,皮質骨外周界限清晰,然後再將鬆質骨區盡量多的囊括進來。



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