基于影像的椎体组织几何模型和有限元模型的构建及仿真计算方法
迅速发展的医学成像技术不断推动医学诊断和治疗水平的进步,其作用已经从人体解剖结构的非侵入检查和可视化,发展成为一种用于手术计划和仿真、手术图像导引、病灶跟踪、手术评估的有力工具.如何在计算机辅助下精确构建基于影像的解剖组织器官的几何模型和有限元模型是当前计算机辅助诊断和治疗技术发展的关键.
本课题主要目的是基于椎体的CT图像构建椎体的几何模型和有限元模型,运用有限元方法模拟椎体运动节段在轴向压力、前弯、侧弯、旋转和后伸等五种载荷下力学特征参数,逼近椎体组织的力学机理,为椎体组织的几何形态和力学行为特征提供一种检测、分析和评估的新方法.
课题的主要研究内容包括:
(1)提出了一种改进的水平集分割算法实现对椎体解剖轮廓的精确提取.在边缘检测函数和区域检测函数的基础上,我们提出了一个新的融合图像边缘信息和区域信息的分割算法.该算法不仅包含椎体CT图像的边缘信息,而且具有椎骨CT图像的区域信息.该算法对初始轮廓线不敏感,在边缘模糊的情况下也能实现对椎骨的精确提取.并且该算法不需要对水平集函数进行初始化,提高了图像的分割速度.另外通过设置一全局阈值得到多个初始轮廓线从而解决了椎体CT图像内部灰度信息不均匀的问题,提高了椎体CT图像分割的准确度.该算法对90张椎体CT图像进行分割,正确率达95%.与C-V模型进行比较,运行速度快,对边缘模糊及拓扑结构复杂的椎体CT图像的分割更准确.
(2)建立了腰椎间盘突出症力学特征数值计算分析模型,为腰椎间盘突出症的力学机理提供一种检测评估方法.利用健康成人L4~L5腰椎运动节段CT影像资料,采用Mimics10.01医学图像处理软件和Geomagic10.0逆向工程软件分别建立L4~L5腰椎运动节段的椎骨和椎间盘,并在Ansys软件中附加腰椎相关韧带及通过改变椎间盘突出后对应的材料属性,建立了正常椎间盘L4-L5运动节段的有限元模型、椎间盘突出的三个阶段的有限元模型、髓核摘除后的3个有限元模型及髓核空腔填补后等10个有限元模型.并且研究在不同载荷情况下模型的运动范围、椎间盘的形变和应力应变分布及小关节受力情况.仿真计算结果表明,随着椎间盘突出程度的加重,运动节段的运动范围、椎间盘的承载能力及关节突的应力水平都在发生变化.髓核的摘除破坏了椎问盘的稳定性,加剧了椎间盘的突出程度,而髓核空腔的填补有助于椎间盘稳定性的恢复.腰椎间盘突出症力学特征数值计算分析模型为椎间盘突出症的临床诊断和临床治疗提供了一种检测、分析及评估的新方法.
(3)建立了上颈椎力学特征数值计算分析可视化模型,对寰椎骨折的力学机理提供一种分析方法.通过CT扫描获取健康上颈椎的空间结构信息,利用Mimics软件及Ansys软件建立上颈椎的有限元模型(C1-C3).分别在完整的上颈椎模型及单独应用模型中的寰椎分析头颅位于中立位、前弯位以及后伸位等条件下寰椎所受应力的变化情况.结果表明,无论头颅位于前弯位、中立位或者后伸位,寰椎前弓是应力最集中的部位;头部过度后伸时,后弓与侧块交界处是应力最集中的部位.
- 作者：
- 黄菊英
- 学位授予单位：
- 首都医科大学
- 专业名称：
- 生物医学工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 李海云
- 关键词：
- 水平集方法；椎体组织；几何模型；力学特征；仿真计算方法；有限元模型
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