用于截骨矫形的CT灰度-材料属性赋值有限元建模方法

摘要

一种用于截骨矫形的CT灰度‑材料属性赋值有限元建模方法，（1）骨骼三维模型重建，（2）骨骼表面模型的曲面构造与实体化，（3）骨骼实体模型的截骨分割；（4）未发生位置变化的骨骼部件实体模型的网格划分与输出，（5）存在位置变化的骨骼部件实体模型的位置调整与基准参考模型的建立，（6）基于CT图像灰度‑材料属性经验公式的网格模型赋值，（7）骨骼部件网格模型的位置调整与有限元建模前处理，得到最终的骨骼有限元模型。本发明能够实现骨骼部件模型位置任意调整而同时具备基于灰度赋值的非均匀单元材料属性，具有模型材质高度还原、操作简单和有限元计算结果精确等特点。

主权项

用于截骨矫形的CT灰度‑材料属性赋值有限元建模方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）骨骼三维模型重建采集目标对象骨骼的计算机断层成像数据，将所获得的Dicom格式的断层成像数据导入医学三维重建软件建立骨骼三维模型；（2）骨骼表面模型的曲面构造与实体化针对构建的骨骼三维模型，在逆向重建软件中进一步对骨骼三维模型进行表面平滑及去特征化处理，并在骨骼三维模型表面构建曲面片，进而在曲面片基础上构造格栅，从而通过拟合曲面得到骨骼实体模型；（3）骨骼实体模型的截骨分割将建立好的骨骼实体模型文件导入CAD软件对骨骼实体模型进行模拟截骨的分割操作，得到多个分割后的骨骼部件模型，以此作为划分单元网格的对象；（4）未发生位置变化的骨骼部件实体模型的网格划分与输出将步骤（3）中的未发生位置变化的骨骼部件模型以CAD文件格式输出，并导入到有限元前处理软件中进行网格划分，对未发生位置变化的多个骨骼部件模型分别单独划分网格后并在有限元前处理软件中以网格模型的文件格式输出；（5）存在位置变化的骨骼部件实体模型的位置调整与基准参考模型的建立针对步骤（3）中的发生了位置变化的多个骨骼部件模型，在CAD软件中根据临床截骨的标准方法，把发生了位置变化的多个骨骼部件模型进行相应的平移、旋转以及共轴操作，操作过程中分别建立相应的参考平面、参考轴以及参考点，以此建立相应的平面、直线以及空间点参考模型，保存为CAD文件格式；（6）基于CT图像灰度‑材料属性经验公式的网格模型赋值将步骤（4）中输出的多个骨骼部件的网格模型导入医学三维重建软件中进行材料参数赋值，在软件中分别定义图像CT值HU与表观密度、表观密度与弹性模量的关系公式后，根据分析需要划分材料分布区间数，完成基于CT图像灰度的经验公式赋值过程，最后以有限元模型格式把各个骨骼部件导出并保存；（7）骨骼部件网格模型的位置调整与有限元建模前处理将步骤（6）中的各个骨骼部件模型加载至有限元前处理软件中，同时将步骤（5）中的基准参考模型也导入到有限元前处理软件中，在有限元前处理软件中的装配模式下，根据既定的移动距离、旋转角度参数，将骨骼指定的部件模型依照参考面、参考轴以及参考点进行相应距离和角度的移动操作，使各个骨骼部件模型按照预定参数调整到预定的空间位置，得到调整位置后的整个骨骼模型；最后进行模型的载荷、边界条件和接触属性的设置，得到最终的骨骼有限元模型。