基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析

分类号密级UDC学位论文基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析作者姓名：元强指导教师：张振副教授潘农副教授东北大学工程图学教学与研究中心申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：机械制造及自动化论文提交日期：2008年6月论文答辩日期：2008年6月学位授予日期：2008年6月答辩委员会主席：评阅人：东北大学2008年6月ADissertationinMechanicalDesignandTheoryReverseEngineeringResearchandFiniteElementAnalysisofChildrenFemur-ProximalBasedonCTdatabyYuanXiaoqiangSupervisor：AssociateProfessorZhangZhenweiAssociateProfessorPanShinongNortheasternUniversityJune2008I独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年□一年□一年半□两年□学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：东北大学硕士学位论文摘要II基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析摘要本文基于二维CT横断面数据、DIC0M标准和Mimics软件实现人体骨骼三维重建，详细叙述了医学三维重建的整体思路和具体过程，无创性地重建正常儿童近端股骨、髋脱位儿童股骨与髋关节的复杂形态，所建模型细致逼真，形态还原性好，可以被任意旋转并从不同角度观察。本文运用Mimics和Ansys软件导入导出CT横断面数据并通过Ansys中的APDL语言编程、最终建立三维有限元模型。本文叙述了儿童股骨近端有限元模型和对其分配材料属性的过程，并根据CT值－表观密度－弹性模量间的经验关系定义材料特性参数。基于CT数据的股骨三维有限元建模方法，其优点包括：1可以充分利用CT数据所提供的关于股骨的几何形态和材料特性信息，保证有限元分析结果的精确性；2此方法的材料特性设置较以往分配单一材质的方法更能表现骨骼材料的非均匀性，并且该方法无需确定密质骨、松质骨和骨髓的分界面，可以大幅缩短建模时间。本文通过对正常儿童股骨近端和髋脱位股骨近端有限元应力分析，研究结果显示：（1）在相同载荷下髋脱位侧股骨最易变形，所以患有髋脱位和髋关节脱位术后的儿童应尽量使其避免受到过大的载荷，防止骨折现象的发生；（2）儿童股骨上段内、外侧尤其是股骨颈内侧相当于股骨距部位应力水平较高，该部位的骨皮质最厚而且密度最高，可以承受身体上部的重量在该部位形成的高应力而不致疲劳骨折。这种应力和骨密度分布方式既符合最基本的力学原理，又是Wolff定律的又一佐证，再次体现人体内各种组织结构和功能的一致性；（3）应变与应力相一致，根据应力云图可以看出股骨颈部位应力水平较高，当受到暴力时最易发生骨折的部位应为股骨颈处。在体育锻炼和骨折后治疗等方面应注重这些区段的保护。总之，本研究通过基于CT数据儿童股骨逆向工程研究及有限元分析，对比分析了患有髋脱位儿童股骨和发育正常儿童股骨在双腿站立、单腿站立以及不同工况下的生物力学变化特性，此研究结果能够有效评价发育性髋关节脱位股骨近端不同工况下的变化模式，十分有助于预测发育性髋关节脱位患儿股骨可能出现的畸形变化发展。三维有限元方法是一种简便实用的生物力学研究方法，可作为实验生物力学研究方法的验证和补充。关键词：儿童，股骨近端，逆向工程，DICOM标准，有限元分析，生物力学东北大学硕士论文AbstractIIIReverseEngineeringResearchandFiniteElementAnalysisofChildrenFemur-ProximalBasedonCTdateAbstractThisarticlehasstudiedawaybasedontheCTdata,theDIC0MstandardandtheMimicssoftwarewhichrealizesthreedimensionalreconstructionofthehumanbone.ThisworkhasnarratedthewholeideaandspecificprocessofthethreedimensionalmedicinalreconstructionindetailandreappeardFemur-ProximalandhipofaDDHchildaswellasthecomplexshapeofnormalchild’sFemur-Proximal.Thecreatedmodelwhichisparticularverisimilitudeandnicereducibilitymightberevolvedatrandom，sothatyoucanobservefromdifferentangles.Thewholeideaandthespecificprocessofindetail.Thecourseofestablishingthree-dimensionalfiniteelementmodelhandlingwiththesoftwareMimicsandAnsyscomesdowntoaproblemaboutlead-inandlead-outofthedatawhichissolvedbyprogrammingusingtheADPLofAnsys.Thus,itestablishesthefoundationfordoingtheresearchaboutthisaspectmore.TheworkparticularlynarratesthefiniteelementmodelofchildrenFemur-ProximalaswellasthecourseofdistributingmaterialpropertytothefiniteelementmodelofchildrenFemur-Proximal,definematerialcharacteristicparameteronthebaseoftheexperiencerelationamongCTvalue,ApparentdensityandtheYoung'smodulusE.ThewayofFemur-Proximalthree-dimensionalfiniteelementmodelonthebaseofCThasthefollowingadvantages：1ItcantakefulladvantageofthegeometrymodalityandmaterialcharacteristicinformationaboutFemur-ProximalsuppliedbyCTdata.Comparedwiththeoldway,itcanestablishFemur-Proximalthree-dimensionalfiniteelementmodelmoreaccuratelyinordertoassuretheaccuracyoffiniteelementanalysisresult.2Thematerialcharacteristicsettingofthiswaycanmanifestthenon-uniformityofskeletonmaterialmoreprecislythantheoldwaywhichdistributessinglematerial.Besides.Thiswaycanshortenmodelingtimebecausethereisnoneedtoconfirmtheinterfaceamongcompactbone,spongyboneandmarrow.ThisstudythroughthefiniteelementanalysisofnormalchildrenandDDHchildrenFemur-Proximal,researchresultsshowthat：(1)Inthesameload,theFemur-ProximalofDDHchildreniseasiesttohavethedeformation.Therefore,theDDHchildrenshouldtrytoavoidagreatload,inordertopreventtheoccurrenceoffractures；(2)ThestresslevelishighintheoutsideandinsideofthechilerenFemur-Proximal,particularly,themedialfemoralneckequivalenttothefemurfromthesite.Thepartwiththethickbongandthehigherdensity,whichcanwithstandthehighstresscausedbytheweightof东北大学硕士论文AbstractIVtheupperbodyandavoidsfatiguefracture.Suchthiskindofstressandthebonedensitydistributionmethodareconsistentwiththebasicprinciplesofmechanics,whichisanothercorroborationofWolfflaw.Inoncemore,itmanifeststheeachkindoforganizationalstructureandthefunctionuniformityofhumanbody；(3)Thestrainisconsistentwiththestress.Accordingtothefemoralneckstresscloud,thehighlevelsofstresspositionscanbeseen.Whenthefemurreceivetheviolence,themostvulnerabletofracturesisthefemoralneckfortheposition.Inphysicalexerciseandfractureaftertreatmenttheprotectionofthesesectionsshouldfocused.Inbrief,thisarticlemakesacomparativeanalysisofFemur-ProximalbiomechanicalcharacteristicswhentheDDHchildandthenormalchildstandwithlegsandthesinglelegandsimulateaddingdifferentconditionstoFemur-Proximal.TheresultsofthisstudycaneffectivelyevaluatedevelopmentofDDHchildrenFemur-Proximalandforecastthefemurpossiblechangesindevelopment.Three-dimensionalfiniteelementanalysisisakindofconvenientandpracticablemethodt