CN105405167A - 基于完整的人头颅进行有限元建模的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医学研究建模领域，具体为基于完整的人头颅进行有限元建模的方法，包括以下步骤：S1：进行头颅CT扫描，并将所得数据以DICOM格式导出，获得DICOM格式的CT原始数据；S2.将获得的数据导入医学影像控制软件中，针对骨组织、皮下软组织、皮肤、不同的灰度值进行图像分割，并分别进行三维重建，并将结果以特定格式文件导出。本发明创建的模型成功囊括了面部的骨组织、皮肤、皮下组织，十分完整；其次模型建立时划分的网格为六面体体单元网格，后期的生物力学分析模拟精确度较高，模型立体性较强，且建立了CAD三维实体模型，可与3D打印技术相结合。
Description
技术领域
本发明涉及医学研究建模领域，具体为基于完整的人头颅进行有限元建模的方法。
背景技术
有限元分析是一种数学方法，它将复杂的物体分解离散成许多简单而又相互作用的单元，然后分析每个单元的情况，并对总体进行求解，利用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实***，以此来实现对复杂的真实物理***的几何或载荷工况进行模拟分析。在进行有限元分析前，必须将物理模型进行一定的前处理，使其分解离散，该步骤称之为有限元建模，它是后期对模型进行模拟分析的前提，建模质量的高低决定了模拟分析的误差大小。
目前医学研究上完成了的有类似的有限元建模，它是通过CT扫描将人的颅骨图像导入医学影像控制软件Mimics中，通过软件附带的阈值分割功能，确定骨组织边界与范围。再通过磁共振检查获取软组织影像资料，同样将影像资料导入Mimics软件中，阈值分割确定软组织边界范围。再通过人工手动选择几处面部解剖轮廓点，凭借这些轮廓点将骨组织与皮肤、皮下组织的影像进行融合，最后通过Mimics软件自带的网格划分功能，将融合影像导出，获取了人的头颅三维有限元模型。
该模型虽然建立了人的头颅有限元模型，但仍存在较大缺陷：
1.模型精度太低：通过人工手动辩识解剖轮廓点，误差较大，面部软组织容易因***变化而变化，因而融合获得的图像本身精度就会受到影响，从而导致建立的有限元模型精度降低。
2.难以用于计算模拟：由于Mimics软件自带的网格划分功能实际处理出的是三角形面片网格，与一般有限元分析要求的六面体体网格差距较大，无法完成精确的生物力学分析，达不到科学研究的目的。
本发明涉及到的相关名词解释：
FEA：有限元分析，FiniteElementAnalysis。
Mimics：Mimics是Materialise公司开发的一款的交互式的医学影像控制***软件。
GeomagicStudio：GeomagicStudio是Geomagic公司产品的一款逆向软件，可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型。
SolidWorks：SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD***，Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点。
Hypermesh：Hypermesh软件是美国Altair公司的产品，是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台。
NURBS曲线：Non-UniformRationalB-Splines,中文名为非均匀有理B样条曲线，NURBS是一种非常优秀的建模方式，在高级三维软件当中都支持这种建模方式。NURBS能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度，从而能够创建出更逼真、生动的造型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于完整的人头颅进行有限元建模的方法，解决现有的有限元建模方法的模拟精度太低且难以用计算机模拟的问题。
为了解决以上问题，本发明采用的技术方案如下，一种基于完整的人头颅进行有限元建模的方法，包括以下步骤：
S1：进行头颅CT扫描，并将所得数据以DICOM格式导出，获得DICOM格式的CT原始数据；
S2.将获得的数据导入医学影像控制软件中，针对骨组织、皮下软组织、皮肤、不同的灰度值进行图像分割，并分别进行三维重建，并将结果以特定格式文件导出；
S3、将导出的特定格式的文件导入三维设计软件中，将二维影像转换成CAD三维实体模型；
S4、将建好的模型在三维CAD***控制软件中装配，按照实际尺寸进行缩放组装，并保存为特定格式文件；
S5、将CAD三维实体模型的特定格式文件导入网格划分前处理软件中，进行体网格—六面体单元的剖分，手动调整在不规则曲面上的网格精度,最终获得人头颅三维有限元模型。
作为优选：S2所述的图像分割阈值分割值如下：骨组织阈值分割值T1＝316，T2＝3071；软组织阈值分割值T1＝-243,T2＝264；皮肤阈值分割值T1＝-243，T2＝231。
作为优选：S3具体如下：将导出的特定格式的文件导入三维设计软件中，利用网格修复命令对畸形网格进行修复，并消除掉多余的几何点、面；将修复好的面网格在曲面计算命令中运行，得到三维实体表面的初步模型并进行进一步修复，修补表面缝隙以及曲面，使用消除特征以及填充小孔命令，生成NURBS曲面；根据NURBS曲面创建CAD三维实体模型。
本发明的有益效果如下：
1.模型的完整性：头面部组织的有限元分析对象一般为一到多块骨组织，以上下颌骨，颧骨颧弓复合体较为常见，或者为单纯的软组织，比如皮肤、皮下组织等。而完整的头颅有限元模型(包含有头颅所有骨骼和软组织)较为少见，它不仅仅是计算量几何数量级的增长，而且牵涉到了不同材料属性的组织之间的相互作用关系。
2.模型的精确性：采用层厚较薄的CT获取影像，并在建模过程中尽量减少对模型的修整，以保证模型更加贴合实际。
3.软硬组织接触面的合理性：对皮肤与皮下、皮下组织与骨、颅骨与脑组织相接触的界面，建立接触对，采用采用非线性接触分析的方法进行分析，便于后续研究受力时不同材料的相互作用。
4.便于计算性：所建立的模型应确保为体单元网格，以保证计算精确。同时针对不同计算要求，可对模型进行拆卸和拼装，以便选取需要的部分进行仿真模拟和受力分析。
综上所述，本发明创建的模型成功囊括了面部的骨组织、皮肤、皮下组织，十分完整；其次模型建立时划分的网格为六面体体单元网格，后期的生物力学分析模拟精确度较高，模型立体性较强，且建立了CAD三维实体模型，可与3D打印技术相结合；再者，模型建模时以材料属性的不同，分别进行建模，最后进行组装，因此建立的模型也便于拆卸和组装，针对不同的需求进行仿真模拟和受力分析。本发明首次成功地对完整的人头颅进行了有限元建模，凭借此模型可进行许多头颅部位的生物力学分析研究，为临床提供了验证与指导功能。
附图说明
图1为背景技术中完成的类似的头颅有限元建模；
图2为本发明完成拼装的头颅三维实体模型(透视效果)；
图3为本发明完成网格划分的头颅有限元模型(透视效果)。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
一种基于完整的人头颅进行有限元建模的方法，包括以下步骤：
S1：进行头颅CT扫描，并将所得数据以DICOM格式导出，获得DICOM格式的CT原始数据；
S2.将获得的数据导入医学影像控制软件中，针对骨组织、皮下软组织、皮肤、不同的灰度值进行图像分割，并分别进行三维重建，并将结果以特定格式文件导出；
S3、将导出的特定格式的文件导入三维设计软件中，将二维影像转换成CAD三维实体模型；
S4、将建好的模型在三维CAD***控制软件中装配，按照实际尺寸进行缩放组装，并保存为特定格式文件；
S5、将CAD三维实体模型的特定格式文件导入网格划分前处理软件中，进行体网格—六面体单元的剖分，手动调整在不规则曲面上的网格精度,最终获得人头颅三维有限元模型。
进一步地：S2所述的图像分割阈值分割值如下：骨组织阈值分割值T1＝316，T2＝3071；软组织阈值分割值T1＝-243,T2＝264；皮肤阈值分割值T1＝-243，T2＝231。
进一步地：S3具体如下：将导出的特定格式的文件导入三维设计软件中，利用网格修复命令对畸形网格进行修复，并消除掉多余的几何点、面；将修复好的面网格在曲面计算命令中运行，得到三维实体表面的初步模型并进行进一步修复，修补表面缝隙以及曲面，使用消除特征以及填充小孔命令，生成NURBS曲面；根据NURBS曲面创建CAD三维实体模型。
实施例：(如图2和图3所示)
1.招募全身发育正常、身体健康，面部对称的志愿者一名，进行头颅CT扫描，并将所得数据以DICOM格式导出，获得层厚为0.625mm的DICOM格式的CT原始数据201个。
2.将获得的数据导入医学影像控制软件Mimics中，针对骨组织、皮下软组织、皮肤、不同的灰度值进行图像分割，并分别进行三维重建，并将结果以二进制STL格式文件导出。
3、图像优化及前处理：将导出的STL格式文件导入三维设计软件GeomagicStudio中，利用的网格修复命令对畸形网格进行修复，并消除掉多余的几何点、面；将修复好的面网格在曲面计算命令中运行，得到三维实体表面的初步模型并进行进一步修复，修补表面缝隙以及狭长的曲面，使用消除特征以及填充小孔命令，生成NURBS曲面；根据nurbs曲面创建CAD三维实体模型。
4、将建好的模型在三维CAD***控制软件SolidWorks14.0中装配，按照实际尺寸进行缩放组装，并保存为IGS格式。
5、将CAD三维实体模型的IGS文件导入网格划分前处理软件Hypermesh中，进行体网格—六面体单元的剖分，手动调整在不规则曲面上的网格精度,最终获得人头颅三维有限元模型。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于完整的人头颅进行有限元建模的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：进行头颅CT扫描，并将所得数据以DICOM格式导出，获得DICOM格式的CT原始数据；
S2.将获得的数据导入医学影像控制软件中，针对骨组织、皮下软组织、皮肤、不同的灰度值进行图像分割，并分别进行三维重建，并将结果以特定格式文件导出；
S3、将导出的特定格式的文件导入三维设计软件中，将二维影像转换成CAD三维实体模型；
S4、将建好的模型在三维CAD***控制软件中装配，按照实际尺寸进行缩放组装，并保存为特定格式文件；
S5、将CAD三维实体模型的特定格式文件导入网格划分前处理软件中，进行体网格-六面体单元的剖分，手动调整在不规则曲面上的网格精度，最终获得人头颅三维有限元模型。
2.根据权利要求1或2所述的一种基于完整的人头颅进行有限元建模的方法，其特征在于：S2所述的图像分割阈值分割值如下：骨组织阈值分割值T1＝316，T2＝3071；软组织阈值分割值T1＝-243，T2＝264；皮肤阈值分割值T1＝-243，T2＝231。
3.根据权利要求3所述的一种基于完整的人头颅进行有限元建模的方法，其特征在于：S3具体如下：将导出的特定格式的文件导入三维设计软件中，利用网格修复命令对畸形网格进行修复，并消除掉多余的几何点、面；将修复好的面网格在曲面计算命令中运行，得到三维实体表面的初步模型并进行进一步修复，修补表面缝隙以及曲面，使用消除特征以及填充小孔命令，生成NURBS曲面；根据NURBS曲面创建CAD三维实体模型。
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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