本文選題：醫(yī)學(xué)圖像　切入點：三維重構(gòu)　出處：《山東大學(xué)》2012年博士論文

【摘要】：生物力學(xué)是運用力學(xué)的原理和方法對生物體中的力學(xué)問題進(jìn)行定量研究。其廣泛的研究和應(yīng)用興起于上個世紀(jì)60年代,發(fā)展至今已成為一門獨立的交叉類學(xué)科。在生物力學(xué)研究的眾多分支中,臨床骨科生物力學(xué)的研究和應(yīng)用是非�；钴S的領(lǐng)域。骨科中的常見病和多發(fā)病嚴(yán)重威脅人們的健康,影響著人們的生活質(zhì)量,臨床上迫切需要在診斷、治療和預(yù)防上對此能有更準(zhǔn)確以及定量的認(rèn)識。 試驗測試和數(shù)值分析是生物力學(xué)研究的兩大主要手段。采用體外(也稱離體,invitro)生物力學(xué)試驗可以直觀地獲得生物力學(xué)性能信息,得到的結(jié)果和結(jié)論具有通用的參考價值,但對病人個體缺乏全面、客觀的信息支持。與生物力學(xué)試驗相比,有限元法用于形狀、結(jié)構(gòu)、材料和載荷情況極其復(fù)雜的在體(in vivo)骨骼的分析具有獨特的優(yōu)勢,其模擬成本低,無試驗誤差,力學(xué)性能測試全面,“非破壞性”的試驗使“樣本”可無限次重復(fù)使用,更重要的是可以建立具有生物力學(xué)復(fù)雜材料特性的逼真的在體骨骼模型,可以施加符合實際生理環(huán)境的邊界和載荷條件,個性化分析結(jié)果可以直接用于輔助臨床診斷、手術(shù)預(yù)案分析、術(shù)后評估、外科整形、假體設(shè)計與制造等。 自1972年Brekelmans和Rybicki分別率先將有限元方法應(yīng)用于椎骨和股骨的生物力學(xué)研究以來,該技術(shù)的應(yīng)用陸續(xù)覆蓋了人體所有骨骼。早期的數(shù)值分析方法在骨科的應(yīng)用上僅局限于二維模型、簡單載荷和邊界條件的線性問題分析,分析結(jié)果與實際情況相去甚遠(yuǎn)。隨著計算機(jī)技術(shù)的提高和數(shù)值分析理論的完善,其應(yīng)用有了質(zhì)的飛躍,對骨科生物力學(xué)中存在的復(fù)雜非線性和多介質(zhì)耦合等問題都有了較為成熟的應(yīng)用。實踐證明,只要模擬條件與實際情況的近似度越高,獲得的分析結(jié)果就越真實、可靠。 目前,常用的骨骼組織幾何建模方法是基于CT圖像的Marching Cube法(MC),該方法對復(fù)雜三維骨骼結(jié)構(gòu)的解析常存在幾何上的歧義,容易導(dǎo)致后續(xù)有限元網(wǎng)格劃分的困難或失敗；試驗表明骨骼材料表現(xiàn)為非均質(zhì)和各向異性的特點,而非簡單的密質(zhì)骨和松質(zhì)骨之分,如何獲取精確骨骼的幾何和材料信息,構(gòu)建精確的骨骼有限元模型生成系統(tǒng)依然非常重要。 臨床骨外科假體置換術(shù)中還有一類問題如：強度、穩(wěn)定性和疲勞損傷及壽命的定量分析迫切需要相關(guān)的理論指導(dǎo)。置換術(shù)中的界面是置換系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié),是系統(tǒng)斷裂破壞主要的萌生地,由此容易誘發(fā)假體下沉、松動甚至斷裂等術(shù)后并發(fā)癥,其斷裂分析可以借助界面斷裂力學(xué)方法。人體骨骼的蜂窩狀結(jié)構(gòu)、骨水泥氣泡的陷入、假體微缺陷的存在等諸多因素也是影響未來系統(tǒng)長期穩(wěn)定性的主要因素,這些內(nèi)部的微缺陷和微裂紋在生產(chǎn)、制造和使用過程中是不可避免的,因為它們的產(chǎn)生存在著很大的隨機(jī)性和差異性,在數(shù)值分析建模時,骨骼、骨水泥和假體通常作為連續(xù)介質(zhì)來對待；但是,研究連續(xù)介質(zhì)的斷裂時,由于裂紋源未知,裂紋擴(kuò)展方向未知,不能采用基于經(jīng)典斷裂力學(xué)的數(shù)值分析方法；因此,非常有必要研究一種在裂紋源未知的構(gòu)件內(nèi)確定斷裂可能發(fā)生的地點、估算構(gòu)件強度和使用壽命的方法。粘聚元耦合有限元技術(shù)在復(fù)合材料界面斷裂分析中已得到廣泛應(yīng)用,基于這一思路,在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的研究框架下,引入損傷力學(xué)的損傷變量概念,在連續(xù)介質(zhì)中插入反映潛在的裂紋路徑的粘聚元,通過粘聚元上、下表面的分離表示連續(xù)介質(zhì)斷裂產(chǎn)生的不連續(xù)位移場,可以實現(xiàn)斷裂分析的模擬。基于強度弱化和剛度劣化理論,還可以進(jìn)一步實現(xiàn)連續(xù)介質(zhì)從累積損傷到斷裂整個疲勞過程的模擬。 針對以上問題,本文主要研究了如下內(nèi)容： (1)構(gòu)建了骨骼有限元精確模型生成框架 針對面繪制MC法處理復(fù)雜骨組織時容易產(chǎn)生幾何上的歧義問題,本文采取了圖像預(yù)處理的方法,制定了首先分割得到感興趣區(qū)域(region of interest, ROI),將分割得到的ROI疊砌為VOI (volume of interest),然后將VOI進(jìn)行表面化處理、順滑,獲得三維模型閉合面域的策略；進(jìn)一步研究了將VOI直接轉(zhuǎn)換為有限元網(wǎng)格模型的方法(voxel-based-mesh model);編制了質(zhì)心、節(jié)點、柵格中心多種材料性能映射方法程序；因某些骨骼試樣難以采集導(dǎo)致現(xiàn)有的骨骼材料模型大多呈現(xiàn)非連續(xù)性,針對該問題,本文研究了采用順滑算子的方法減少材料性能大的梯度跳躍；鑒于平均分組方法會低估或高估某些材料的性能,本文提出了基于單元體積的Kmean聚類材料分組算法；最后,根據(jù)商用Abaqus軟件的數(shù)據(jù)格式,研究組裝分析模型的方法并編制了相應(yīng)程序。對比商用軟件,該框架避免了復(fù)雜骨結(jié)構(gòu)建模時常出現(xiàn)的網(wǎng)格劃分困難,增加了材料映射、順滑和聚類方法,可以賦予骨模型非均質(zhì)和各向異性特性。整個框架提供了開放式平臺,用戶根據(jù)需要方便自行擴(kuò)充。 (2)基于上述框架,采用有限元方法分析 ①優(yōu)化設(shè)計了定制型大塊股骨缺損假體 本案例分析中首次提出了基于個體股骨質(zhì)量和有限元分析的骨水泥型假體設(shè)計理念；建立股骨大塊缺損置換前、后有限元分析模型,為使分析結(jié)果對比更加全面和客觀,置換前、后股骨模型采用了一致網(wǎng)格技術(shù),本文詳細(xì)闡述了該技術(shù)具體的實施方法。分析了有、無肌肉力兩種情況下正常行走、爬樓兩個日常動作；修正應(yīng)力屏蔽信號為應(yīng)變能偏移率,分析了骨組織的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)及其未來破裂的風(fēng)險；綜合考察分析結(jié)果,最終確定了優(yōu)化設(shè)計方案。 ②比較了治療頸椎不穩(wěn)寰椎側(cè)塊-樞椎椎弓根(C1LM-C2P)(?)口寰椎側(cè)塊-樞椎椎板(C1LM-C2L)兩種后路固定術(shù) 本案例首先解剖量化了個體寰樞錐結(jié)構(gòu),確定實施兩種手術(shù)具有足夠的空間,并首次建立了包含寰齒前車軸關(guān)節(jié)和寰樞摩動關(guān)節(jié)的C1LM-C2P和C1LM-C2L固定術(shù)的精細(xì)有限元分析模型,兩種固定術(shù)中寰樞錐采用了一致網(wǎng)格技術(shù)；分析模擬了人體寰樞椎的七個日常動作：前移,后伸/前屈,側(cè)彎(左、右)和旋轉(zhuǎn)(左、右)；考察釘棒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和表征系統(tǒng)穩(wěn)定性的位移、剛度和主應(yīng)變等參量,與相關(guān)生物力學(xué)試驗結(jié)果進(jìn)行了對比,得出了一致性的結(jié)論。(3)分析評估了大塊股骨缺損的骨水泥型假體置換系統(tǒng)的穩(wěn)定性 首先應(yīng)用三明治試驗方法測試了骨水泥/假體界面的剪切強度,首次采用端邊切口試驗(End-notched flexure test, ENF)結(jié)合柔度標(biāo)定法測量了骨水泥/假體界面的剪切斷裂韌性,避開了測量閉合裂紋擴(kuò)展長度變化的難題,求解獲得了界面剪切斷裂韌性解析解；建立了粘聚元耦合有限元ENF試驗?zāi)Ｐ?分析獲得了界面剪切斷裂韌性數(shù)值解,并將兩種解與相關(guān)試驗進(jìn)行了比較。在以上工作的基礎(chǔ)之上,引入粘聚元耦合有限元技術(shù),定量分析了假體表面質(zhì)量對大塊股骨缺損骨水泥型假體置換系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,為臨床預(yù)案和術(shù)后評估提供了理論指導(dǎo)。 (4)利用粘聚元耦合有限元技術(shù),分析了骨水泥斷裂過程及斷裂性能 根據(jù)作用載荷的性質(zhì),本文研究了一種在連續(xù)介質(zhì)中設(shè)置通用潛在裂紋路徑的方法,并開發(fā)了基于該法和商用軟件Abaqus四面體單元的斷裂分析模型自動生成程序。建立了骨水泥材料斷裂分析模型,模擬了在拉載荷作用下骨水泥的斷裂過程。分析了該斷裂過程中應(yīng)力場和損傷場的變化規(guī)律,深入探究了潛在裂紋路徑的數(shù)量以及含裂紋構(gòu)件中不同裂紋形態(tài)對斷裂機(jī)理和斷裂性能的影響。對比相關(guān)試驗,驗證了粘聚元耦合有限元技術(shù)分析連續(xù)脆性介質(zhì)的斷裂過程的可行性。為了提高計算效率,本文利用了危險區(qū)概念。將容易發(fā)生斷裂的區(qū)域采用粘聚元耦合有限元技術(shù)建模,其他區(qū)域采用傳統(tǒng)有限元技術(shù)建模。 (5)利用粘聚元耦合有限元技術(shù),建立了骨水泥疲勞損傷模型,研究其疲勞損傷過程 以準(zhǔn)脆性材料骨水泥拉伸疲勞為例,基于強度弱化理論,將粘聚元引入了連續(xù)介質(zhì)(骨水泥)的疲勞累積損傷分析中。將疲勞損傷過程分為無疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展三個階段,研究了不同階段中材料性能的變化和損傷程度的變化,首次提出了一種疲勞累積損傷及破壞模型。利用Visual C編寫了調(diào)用Abaqus求解器的控制程序,實現(xiàn)了連續(xù)脆性介質(zhì)(骨水泥)疲勞循環(huán)全過程損傷分析。對比線性和對數(shù)型兩種強度弱化模式,研究了構(gòu)件損傷和破壞機(jī)制的差異及其特點,計算了疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展和斷裂擴(kuò)展各階段的壽命。對比有關(guān)試驗研究,驗證了粘聚元耦合有限元方法在疲勞損傷分析中的可行性和三段式疲勞累積損傷及破壞模型的合理性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：R318.01

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1653349