一种高质量网格小型猪头部有限元模型建模方法技术

一种高质量网格小型猪头部有限元模型的建模方法，涉及一种建模方法，包括以下步骤：采用断层图像重构法建立新生小猪头部几何模型；再对几何模型分区。采用蝴蝶网格投影方法建立新生小猪头部有限元模型，本发明专利技术可以应用于所有不规则的曲面体生物结构，更能进一步进行多工况仿真并获得碰撞接触力、颅骨裂纹扩展等数据和资料，与使用小型猪进行多工况试验相比方便高效，并且能够较为准确描述儿童头部损伤。

【技术实现步骤摘要】
一种高质量网格小型猪头部有限元模型建模方法
本专利技术涉及一种建模方法，具体涉及一种高质量网格小型猪头部有限元模型建模方法。
技术介绍
据统计，在儿童身体各部位二级及以上的伤害中，3岁以下儿童的头部伤害占身体各部位伤害的50％甚至更高。为了研究儿童头部的伤害机理及防护措施，采用儿童尸体进行碰撞试验是最有效的手段。但是由于受道德、伦理等因素的限制，很难使用儿童尸体作为样本进行儿童颅骨损伤的研究。由于小型猪头部组织器官结构和位置与儿童头部非常接近，并且与人体头部的力学性能在年龄上呈现一定的对应关系，因此可以使用小猪作为碰撞损伤试验的样本来代替儿童，近似研究儿童头部的伤害机理及防护措施。但是使用小猪样本进行生物实验实验条件复杂且效率低。建立高逼真度的小型猪头部有限元模型并对模型进行验证后，可以使用小型猪头部有限元模型进行多工况仿真并获得碰撞接触力、颅骨裂纹扩展等数据和资料，与使用小型猪进行多工况试验相比方便高效，并且能够较为准确描述儿童头部损伤。目前对生物结构的网格建立大都倾向于六面体实体单元或者四边形壳单元。相比四面体单元和三角形单元，六面体实体单元和四边形壳单元具有更好的变形特征，能更好地反映应力和应变的特征，更易于针对基本实验数据进行收敛性验证。小型猪头部主要结构从内向外有脑部组织、软脑膜、硬脑膜、脑脊液、鼻腔、颅骨、骨缝以及头皮。各个部位并不是形状规则的几何体，有的部位甚至曲率比较大。因此如果使用传统的网格划分手法，会在曲率较大的位置产生低质量的网格，影响整个模型的计算精度。近年来，建立新生小型猪头部的有限元网格模型，模型的完整程度和高质量一直是研究者关注的热点。考虑在有限元仿真研究中的具体用途，当前依然缺少足够完整有效的高质量小型猪头部有限元模型。其难度在于头部的结构复杂且形状不规则。
技术实现思路
为了解决传统建模方法在曲率较大的位置产生低质量的网格，影响整个模型的计算精度的问题，本专利技术提供一种高质量网格小型猪头部有限元模型的建模方法，可适用于所有不规则的曲面体生物结构，使得模型具有更好的完整程度和及更高的质量。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：一种高质量网格小型猪头部有限元模型的建模方法，包括以下步骤：S1、采用断层图像重构法建立新生小猪头部几何模型；S2、对新生小猪头部几何模型分区；S3、采用蝴蝶网格投影方法建立新生小猪头部有限元模型。进一步的，所述步骤S1的具体步骤如下：S11、获取新生小型猪头部CT图像对新生小猪头部进行CT断面扫描图像，以获得新生小型猪头部CT图像；S12、对新生小型猪头部CT图像进行阈值分割、区域增长及三维建模，以获得新生小猪颅骨的三维模型STL格式文件使用MIMICS软件的“Segmentation”工具使颅骨断层图像边缘结构清晰显示并进行阈值分割，将骨骼图像从整体图像中分割出来，获得蒙板A，在蒙板A上使用MIMICS软件的“RegionGrowing”命令对颅骨图像进行区域增长操作，获取蒙板B，在蒙板B的整体断层图像中分离出新生小猪颅骨的断层图像；使用MIMICS软件的“Calculate3D”命令对新生小猪颅骨的断层图像进行三维重建，选用中等质量参数来进行三维计算，并输出三维模型STL格式文件；S13、根据新生小猪颅骨三维图形提取出骨缝线调整3D视图窗口识别骨缝位置表现的凹陷，手工使用spline功能在三维模型表面直接沿凹陷轨迹绘制曲线，间接获取骨缝的几何模型；S14、建立脑组织几何模型根据脑部组织在矢状面方向上的9个深度MRI图像上的轮廓在MIMICS中对应的深度上绘制轮廓线，然后将所有的轮廓线输出并导入三维软件进行放样得到脑组织表面模型；S15、对小型猪头部几何模型进行光顺处理将新生小猪颅骨的STL文件导入Geomagic软件进行光顺处理，使用网格医生选项自动行修复小孔洞，高度折射边以及尖状物，手动修复颅骨模型表面不规则孔洞，使用多变形编辑功能中的刷漆工具，将孔洞周围多边形删除，再使用填充单个孔命令，将其填充；对颅骨内表面进行光顺处理；在GeomagicStudio中应用裁剪功能将小猪颅骨从正中矢状面切割开，删去左半部分，保留右半部分方便对颅骨内表面进行操作；对眼眶位置的孔洞进行填补；利用GemagicStudio的松弛命令来对颅骨内表面进行光顺处理；将鼻骨错综复杂部分进行了松弛操作，得到平滑的内表面；在Geomagic中进行精确曲面操作，将小猪颅骨内外表面分别拟合成为NURBS曲面。进一步的，所述步骤S2的具体步骤如下：S21、将脑干几何模型iges文件导入HYPERMESH中，使用Geom功能下surfaceedit中的trim命令用三点确定的平面来切割脑干几何模型，将脑干分成三块，使得每一个小块的形状大致满足规则六面体，依次命名为brainstem1至brainstem3；S22、小脑几何模型保留原样进行一次投影；S23、大脑几何模型在HYPERMESH中用使用Geom功能下surfaceedit中的trim命令将大脑分为八块，依次命名为brain1至brain8；S24、鼻部呈现T字型形状，使用HYPERMESH中Geom功能下surfaceedit中的trim命令将它分为两长方体正交拼接的形状。进一步的，在进行所述步骤S2的操作时，通过手工选取分割界面使得各个几何模块近似规则的六面体。进一步的，所述步骤S3的具体步骤如下：S31、建立脑干蝴蝶网格block将脑干第一块的几何模型brainstem1的iges文件导入TrueGrid中，然后使用block命令创建一个17x17x17的方形block；利用块体移动命令mbi将block进行移动，使块体包裹于几何模型内；调整好block位置后，对块体进行部分删除，使block形状适应这一部分网格对象；在计算窗口选择需要删除的区域，使用Delete命令分多步进行删除；对脑干第二块及第三块几何模型进行相同处理；S32、划分脑干部分有限元网格对脑干第一块block进行投影；用pb命令实现点投影，使block八个顶点与几何模型的定点相结合；然后选择block各个棱，用curs命令将其投影到划分对象对应的棱边上；用sfi命令实现面投影，选择block需要投影的面向目标面进行投影；对脑干第二块以及第三块block进行相同操作；S33、调整网格质量对脑干部分的网格进行合理的调整；使用TrueGrid提供的交互式操作功能手工调整边界节点，使其分布大致均匀；在计算窗口中选中需要移动的点，利用movepoint功能，在物理窗口直接进行拖动；在计算窗口选择整个块体区域，使用unifm功能对表面网格进行均匀与顺滑，使得表层网格达到最理想的质量；S34、将分块的有限元网格模型进行连接脑干第一块几何模型网格划分完成时，使用bb命令将其与下一个要建立的脑干块体的公共面定义为主面；然后在建立脑干本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高质量网格小型猪头部有限元模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、采用断层图像重构法建立新生小猪头部几何模型；/nS2、对新生小猪头部几何模型分区；/nS3、采用蝴蝶网格投影方法建立新生小猪头部有限元模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种高质量网格小型猪头部有限元模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用断层图像重构法建立新生小猪头部几何模型；
S2、对新生小猪头部几何模型分区；
S3、采用蝴蝶网格投影方法建立新生小猪头部有限元模型。


2.如权利要求1所述的新生小型猪头部有限元模型的建模方法，其特征在于：所述步骤S1的具体步骤如下：
S11、获取新生小型猪头部CT图像
对新生小猪头部进行CT断面扫描图像，以获得新生小型猪头部CT图像；
S12、对新生小型猪头部CT图像进行阈值分割、区域增长及三维建模，以获得新生小猪颅骨的三维模型STL格式文件
使用MIMICS软件的“Segmentation”工具使颅骨断层图像边缘结构清晰显示并进行阈值分割，将骨骼图像从整体图像中分割出来，获得蒙板A，在蒙板A上使用MIMICS软件的“RegionGrowing”命令对颅骨图像进行区域增长操作，获取蒙板B，在蒙板B的整体断层图像中分离出新生小猪颅骨的断层图像；使用MIMICS软件的“Calculate3D”命令对新生小猪颅骨的断层图像进行三维重建，选用中等质量参数来进行三维计算，并输出三维模型STL格式文件；
S13、根据新生小猪颅骨三维图形提取出骨缝线
调整3D视图窗口识别骨缝位置表现的凹陷，手工使用spline功能在三维模型表面直接沿凹陷轨迹绘制曲线，间接获取骨缝的几何模型；
S14、建立脑组织几何模型
根据脑部组织在矢状面方向上的9个深度MRI图像上的轮廓在MIMICS中对应的深度上绘制轮廓线，然后将所有的轮廓线输出并导入三维软件进行放样得到脑组织表面模型；
S15、对小型猪头部几何模型进行光顺处理
将新生小猪颅骨的STL文件导入Geomagic软件进行光顺处理，使用网格医生选项自动行修复小孔洞，高度折射边以及尖状物，手动修复颅骨模型表面不规则孔洞，使用多变形编辑功能中的刷漆工具，将孔洞周围多边形删除，再使用填充单个孔命令，将其填充；对颅骨内表面进行光顺处理；在GeomagicStudio中应用裁剪功能将小猪颅骨从正中矢状面切割开，删去左半部分，保留右半部分方便对颅骨内表面进行操作；对眼眶位置的孔洞进行填补；利用GemagicStudio的松弛命令来对颅骨内表面进行光顺处理；将鼻骨错综复杂部分进行了松弛操作，得到平滑的内表面；在Geomagic中进行精确曲面操作，将小猪颅骨内外表面分别拟合成为NURBS曲面。


3.如权利要求2所述的新生小型猪头部有限元模型的建模方法，其特征在于：所述步骤S2的具体步骤如下：
S21、将脑干几何模型iges文件导入HYPERMESH中，使用Geom功能下surfaceedit中的trim命令用三点确定的平面来切割脑干几何模型，将脑干分成三块，使得每一个小块的形状大致满足规则六面体，依次命名为brainstem1至brainstem3；
S22、小脑几何模型保留原样进行一次投影；
S23、大脑几何模型在HYPERMESH中用使用Geom功能下surfaceedit中的trim命令将大脑分为八块，依次命名为brain1至brain8；
S24、鼻部呈现T字型形状，使用HYPERMESH中Geom功能下surfaceedit中的trim命令将它分为两长方体正交拼接的形状。


4.如权利要求3所述的新生小型猪头部有限元模型的建模方法，其特征在于：在进行所述步骤S2的操作时，通过手工选取分割界面使得各个几何模块近似规则的六面体。


5.如权利要求3所述的新生小型猪头部有限元模型的建模方法，其特征在于：所述步骤S3的具体步骤如下：
S31、建立脑干蝴蝶网格block
将脑干第一块的几何模型brainstem1的iges文件导入TrueGrid中，然后使用block命令创建一个17x17x17的方形block；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志刚，宿仲情，白春玉，王亚锋，郭亚周，王计真，刘小川，
申请(专利权)人：北京交通大学，中国飞机强度研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11