組織學研究證明,骨微結構是骨強度和骨折風險的重要決定因素,臨床CT影像由于其分辨率低,無法精細化骨微結構,不適用于骨微結構相關疾病的臨床篩選、診斷和治療。而Micro-CT則具有較高的空間分辨率,并且允許定量表征骨微結構,在臨床醫(yī)學上得到了較廣泛的應用。然而,CT掃描分辨率的提高,伴隨著掃描尺寸的下降,以及輻射劑量的提升,且需要進行離體掃描,使得更高分辨率的CT掃描不適用于臨床診治。因此,如果能夠在更低輻射劑量、更大掃描視野的情況下,獲得滿足精細結構要求的高分辨率影像,這對于提高相關臨床應用和研究的精度及效率都將會是很好的助益。這是本文針對骨微結構生物力學表現(xiàn)研究的一次探索和拓展。為此,本文圍繞細觀尺度下的醫(yī)學圖像超分辨率重建展開研究。本文首先基于Micro-CT影像研究了骨微結構的力學性能及其與幾何特征之間的關系。骨微結構的力學性能反映了骨在材料特性和結構特性下的綜合力學性能,本文在前人研究的基礎上采用有限元仿真技術進行了載荷測試,并采用傳統(tǒng)機器學習的方法對測試結果進行了數(shù)據(jù)分析,結果發(fā)現(xiàn),骨微結構的幾何特征與其力學特性之間存在良好的映射關系,并且?guī)缀翁卣鞯谋碚髂芰Ω油怀觥Ｆ浯问轻?.. 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院深圳先進技術研究院)廣東省

【文章頁數(shù)】：77 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

各章節(jié)關系圖

第2章基于Micro-CT的骨組織綜合力學性能研究9第2章基于Micro-CT的骨組織綜合力學性能研究本章節(jié)的主要任務是基于Micro-CT影像研究細觀尺度下的骨綜合力學性能，包括兩個部分的內(nèi)容：（1）基于有限元仿真的骨強度計算方法研究；（2）骨微結構力學特性與幾何特性的映射關系研究。2.1基于Micro-CT影像的骨強度計算方法研究2.1.1實驗方案骨強度的相關概念已在引言中重點闡述，本文中結合有限元仿真技術，模擬骨微結構在加壓情況下的力學變化，并分析其應力應變曲線，研究骨強度的表征方法。本文中采取的方案如下圖2.1所示，操作步驟如下：圖2.1骨強度獲取工作流程圖Figure2.1Workflowchartforobtainingbonestrength（1）通過Micro-CT掃描設備獲取股骨近端的影像；（2）使用DCTMK及OpenCV圖像處理庫，對原始切片進行裁剪，獲得體積較小的切片塊，稱為VOI（VolumeOfInterest）。VOI的尺寸及層厚根據(jù)實際需要進行設置；（3）將VOI導入到Mimics軟件之中，根據(jù)灰度閾值提取骨小梁結構，并通過區(qū)域增長法去除不連續(xù)部分，然后進行三維數(shù)據(jù)重建。重建之后的模型，還需要通過3-Matic進行修復、光滑、網(wǎng)格再修復等處理步驟，最后生成可用于有

基于醫(yī)學影像的骨組織細觀尺度圖像重建與力學性能研究10限元分析的體網(wǎng)格，并導出為INP格式的文件；（4）將步驟（3）中導出的INP文件導入到有限元分析軟件ABAQUS中，經(jīng)過模型材料賦值（Property）、部件裝備（Assembly）、設置分析步（Step）、施加載荷（Load）及作業(yè)提交（Job）等步驟之后，進行相應的力學分析。（5）經(jīng)過以上步驟之后，可以通過ABAQUS的后處理模塊，得到有限元仿真的結果，包括動態(tài)演示、曲線圖以及應力應變分布圖等，以此進行相應的分析。2.1.2實驗材料實驗所用模型數(shù)據(jù)來自Micro-CT掃描切片，使用Mimics和3-matic進行三維重建及網(wǎng)格劃分。掃描設備使用瑞士的SCANCOMEDICALAG。該掃描設備在工作期間所產(chǎn)生的輻射很低，不會對人體產(chǎn)生傷害。掃描設備型號為μCT/100，具體配置有：X射線管電流160μA，管電壓30-90kVp/20-50keV；分辨率額定1.25μm，4μm（10%MTF@樣品直徑10mm），圖像矩陣512×512至8192×8192；探測器3702×400，感光單元尺寸48μm；掃描尺寸100×140mm（×L）。本次實驗掃描樣本為豬股骨端部，掃描分辨率為24.5um，掃描尺寸為3072x3072像素，共掃描4817張。掃描后將原始數(shù)據(jù)轉換為DICOM格式保存。實驗中的骨小梁模型像素尺寸為128x128，共107張，來自骨小梁完整切片的其中一小部分區(qū)域。如下圖2.2所示，從左側完整切片中截取固定尺寸的區(qū)域（紅色方框部分），三維重建構成右側實驗用骨小梁模型，并采用ABAQUS中的4節(jié)點四面體線性“完全積分”單元為骨小梁模型劃分網(wǎng)格。圖2.2骨小梁三維模型構建過程Figure2.2Constructionprocessof3Dmodeloftrabecularbone2.1.3實驗過程本次實驗主要是模擬不同結構骨小梁在相同應變下的力學表現(xiàn)。因為不涉及

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于深度學習的圖像超分辨率重建技術的研究[J]. 劉永信,段添添.  科技與創(chuàng)新. 2018(23)
[2]骨小梁Micro-CT圖像形態(tài)計量學參數(shù)計算方法綜述[J]. 劉蓉,郭新路,張亞坤,王永軒.  中國生物醫(yī)學工程學報. 2018(02)
[3]單軸壓縮下松質骨的應力率和蠕變性能[J]. 魏朝磊,高麗蘭,張春秋,劉東東,江汪彪.  中國組織工程研究. 2017(31)
[4]基于MicroCT的骨小梁參數(shù)測量系統(tǒng)的應用效果分析[J]. 吳沛澤,羅守華,陳功,柳慧芬,陳斌.  中國醫(yī)療設備. 2016(04)
[5]顯微CT分辨率對松質骨微觀結構及生物力學測量的影響[J]. 王法琪,嚴亞波,溫鑫鑫,徐超,吳子祥,雷偉.  現(xiàn)代生物醫(yī)學進展. 2015(10)
[6]骨質疏松癥對松質骨骨小梁應力與微損傷關系的影響[J]. 丁海,朱振安,薛晶,贠曉飛.  醫(yī)用生物力學. 2015(01)
[7]有限元及顯微有限元分析在骨科應用的新進展[J]. 劉長劍,羅宗鍵.  大連醫(yī)科大學學報. 2014(02)
[8]有限元法在脊柱生物力學應用中的新進展[J]. 原芳,薛清華,劉偉強.  醫(yī)用生物力學. 2013(05)

碩士論文
[1]應用Micro-CT觀察運動性骨量降低過程中骨小梁變化特點[D]. 曹英旭.首都體育學院 2010



本文編號：3272282