具有力学仿真功能的女性盆底结构有限元模型建立方法技术

为解决现有技术女性盆底结构有限元模型建立方法存在的不能真实细致的反应女性盆底结构及不能进行力学仿真等问题，本发明专利技术提出一种具有力学仿真功能的女性盆底结构有限元模型建立方法，采用女性盆底薄层高精度真彩色连续断层解剖图像作为建模素材，对断层解剖图像进行灰阶转换、结构分割和三维几何模型重建，对三维几何模型进行曲面优化和曲面拟合，得到盆底组织的曲面模型；对盆底组织的曲面模型进行网格划分、模型设置和材料属性赋值，并根据模型设置和材料属性赋值建立盆底结构的有限元模型。本发明专利技术的有益技术效果是能够建立起既能够精准反映女性盆底生理解剖结构及其生物力学特性，又能满足力学仿真要求的女性盆底结构的有限元模型。构的有限元模型。构的有限元模型。

【技术实现步骤摘要】
具有力学仿真功能的女性盆底结构有限元模型建立方法


[0001]本专利技术涉及到女性盆底结构有限元模型建立方法，特别涉及到一种具有力学仿真功能的女性盆底结构有限元模型建立方法。

技术介绍

[0002]女性盆底结构的重要性和易损伤性使得女性盆底结构的研究越来越重要。传统女性盆底结构研究和盆底手术培训是利用尸体或者模型进行模拟试验。然而，尸体数量的有限性以及尸体使用的不可重复性导致了盆底研究机会少、成本高和周期长。同时，由于尸体和活体中人体组织的生物力学特性存在差异，导致通过对尸体研究得到的研究成果与实际情况不可避免地存在差异。
[0003]随着计算机信息技术的不断发展，数字医学和生物力学进展迅速，虚拟仿真技术和人体结构有限元分析应运而生。采用计算机技术建立女性盆底结构的有限元模型，用于对女性盆底结构进行研究，或者进行盆底手术培训。然而，现有技术女性盆底结构有限元模型大都采用较为粗放的断层解剖图像为基础，所建立的模型同样较为粗放，不能真实细致的反应女性盆底的解剖学结构，也不能准确地进行力学仿真。不能满足女性盆底结构研究或者盆底手术培训的需求，也不能对不同程度盆腔脏器脱垂病例进行力学仿真，以便于对盆腔脏器和盆底肌肉的应力应变情况进行观察和分析。
[0004]显然，现有技术女性盆底结构有限元模型建立方法存在着不能真实细致的反应女性盆底的解剖学结构，不能准确地进行力学仿真等问题。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术女性盆底结构有限元模型建立方法存在的不能真实细致的反应女性盆底的解剖学结构，不能准确地进行力学仿真等问题，本专利技术提出一种具有力学仿真功能的女性盆底结构有限元模型建立方法。
[0006]本专利技术具有力学仿真功能的女性盆底结构有限元模型建立方法，采用冷冻铣切方式获取女性盆底薄层高精度真彩色连续断层解剖图像并将其作为建模素材，采用医学图像重建软件Amira对断层解剖图像进行灰阶转换、结构分割和三维几何模型重建，采用逆向工程软件Geometric对三维几何模型进行曲面优化和曲面拟合，得到盆底组织的曲面模型，采用有限元模型建立软件Hypermesh对盆底组织的曲面模型进行网格划分、模型设置和材料属性赋值，并根据模型设置和材料属性赋值建立各个骨骼、器官和组织的有限元模型，以及整个盆底结构的有限元模型；利用建立起来的有限元模型进行不同盆底肌肉损伤的女性盆腔脏器脱垂的有限元力学仿真，将仿真结果与临床真实女性盆腔脏器脱垂病例的影像学图像进行对比，并根据对比结果对有限元模型进行修改和优化，直至有限元模型趋于完善。
[0007]进一步的，所述采用冷冻铣切方式获取女性盆底薄层高精度真彩色连续断层解剖图像，包括，在
‑
25℃低温条件下，采用冰冻、薄层铣切的方式获取女性盆底连续断层解剖图像，图像区域从下腹部到臀部，图像层厚0.2mm，分辨率4064
×
2704，像素0.12
×
0.12mm，共
计300张。
[0008]进一步的，采用医学图像重建软件Amira对断层解剖图像进行灰阶转换、结构分割和三维几何模型重建，包括：
[0009]S201、将断层解剖图像导入Amira软件，在Voxel Size中输入体素值0.12
×
0.12
×
0.2，利用Cast Field命令将彩色图像集转换为Amira软件可分割的灰阶图像集；
[0010]S202、在Segmentation Editor中利用Lasso和Magic Wand分割工具，按照灰阶图像中解剖结构的颜色值差异和组织纹理走向对女性盆腔主要脏器及支持结构进行分割提取，得到结构轮廓数据集；所述盆腔主要脏器及支持结构包括左髋骨、右髋骨、尾骨、骶骨、子宫、膀胱、阴道、直肠、尿道括约肌、直肠尾骨肌、耻骨内脏肌、耻骨外侧肌、耻骨联合、尾骨肌、耻骨直肠肌深部、耻骨直肠肌浅部、联合纵肌、肛门外括约肌、肛门内括约肌、会阴中心体、肛门尾骨韧带、子宫主韧带、子宫圆韧带、子宫骶骨韧带、骶结节韧带、骶棘韧带、盆筋膜腱弓，共计27个结构；
[0011]S203、利用Amira的SurfaceGen命令，结合结构轮廓数据集对分割结构进行三维几何模型重建。
[0012]进一步的，所述采用逆向工程软件Geometric对三维几何模型进行曲面优化和曲面拟合，得到盆底组织的曲面模型，包括：将Amira软件重建生成的三维几何模型以stl格式导入逆向工程软件Geometric中，在该软件中通过消除噪点和杂点的方式进行曲面优化和曲面拟合，得到盆底组织的曲面模型，并将其保存为iges的格式。
[0013]进一步的，采用有限元模型建立软件Hypermesh对盆底组织的曲面模型进行网格划分、模型设置和材料属性赋值，并根据模型设置和材料属性赋值建立各个骨骼、器官和组织的有限元模型，以及整个盆底结构的有限元模型；包括：
[0014]S401、根据盆底各个结构的解剖学特点，采用不同的网格形式来进行划分，包括：
[0015]S4011、采用四面体和六面体划分骨骼结构，包括，左髋骨、右髋骨、尾骨和骶骨；
[0016]S4012、采用壳单元划分扁平结构的脏器以及肌肉韧带组织，包括，膀胱、直肠、尿道括约肌、直肠尾骨肌、耻骨内脏器、耻骨外侧肌、耻骨联合、尾骨肌、肛门尾骨韧带、子宫主韧带、子宫圆韧带、子宫骶骨韧带、骶结节韧带、骶棘韧带、盆筋膜腱弓；
[0017]S4013、采用四面体实体网格划分解剖学特征较为复杂的结构，包括，子宫、会阴中心体、耻骨直肠肌深部、耻骨直肠肌浅部、联合纵肌、肛门外括约肌和肛门内括约肌；采用六面体实体网格划分阴道；
[0018]S4014、步骤S4011至S4013中各个相邻结构之间均采用共节点的连接方式；
[0019]并且，对模型单元的结构和质量进行控制，建立后的模型单元质量为：雅克比系数小于0.6的单元比例小于1％，最小值为0.48；翘曲度大于15
°
的单元比例小于2％，最大单元翘曲度为36.2
°
。
[0020]S402、盆底结构有限元模型设置
[0021]S4021、骨骼模型
[0022]将骨骼表面厚度为1.5mm的表层设置为骨皮质，将骨皮质内部的结构设置为骨松质，其中，采用四面体网格划分骨松质，采用六面体网格划分骨皮质；并且，将骨骼设置为刚性材料，并约束其6个方向的自由度；
[0023]S4022、骨盆相关韧带模型
[0024]采用壳单元划分盆底骨骼间的相关韧带，包括，肛门尾骨韧带、骶棘韧带、骶结节韧带、耻骨联合和盆筋膜腱弓；采用共节点方式实现韧带与骨骼之间的连接；采用线弹性材料模型模拟韧带；
[0025]S4023、子宫韧带模型
[0026]采用壳单元划分扁平结构的子宫韧带，包括子宫主韧带、子宫骶骨韧带和子宫圆韧带，并根据其实际解剖学特性赋予相应的厚度；
[0027]S4024、肛提肌韧带模型
[0028]采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有力学仿真功能的女性盆底结构有限元模型建立方法，其特征在于，采用冷冻铣切方式获取女性盆底薄层高精度真彩色连续断层解剖图像并将其作为建模素材，采用医学图像重建软件Amira对断层解剖图像进行灰阶转换、结构分割和三维几何模型重建，采用逆向工程软件Geometric对三维几何模型进行曲面优化和曲面拟合，得到盆底组织的曲面模型，采用有限元模型建立软件Hypermesh对盆底组织的曲面模型进行网格划分、模型设置和材料属性赋值，并根据模型设置和材料属性赋值建立各个骨骼、器官和组织的有限元模型，以及整个盆底结构的有限元模型；利用建立起来的有限元模型进行不同盆底肌肉损伤的女性盆腔脏器脱垂的有限元力学仿真，将仿真结果与临床真实女性盆腔脏器脱垂病例的影像学图像进行对比，并根据对比结果对有限元模型进行修改和优化，直至有限元模型趋于完善。2.根据权利要求1所述具有力学仿真功能的女性盆底结构有限元模型建立方法，其特征在于，所述采用冷冻铣切方式获取女性盆底薄层高精度真彩色连续断层解剖图像，包括，在
‑
25℃低温条件下，采用冰冻、薄层铣切的方式获取女性盆底连续断层解剖图像，图像区域从下腹部到臀部，图像层厚0.2mm，分辨率4064
×
2704，像素0.12
×
0.12mm，共计300张。3.根据权利要求1所述具有力学仿真功能的女性盆底结构有限元模型建立方法，其特征在于，采用医学图像重建软件Amira对断层解剖图像进行灰阶转换、结构分割和三维几何模型重建，包括：S201、将断层解剖图像导入Amira软件，在Voxel Size中输入体素值0.12
×
0.12
×
0.2，利用Cast Field命令将彩色图像集转换为Amira软件可分割的灰阶图像集；S202、在Segmentation Editor中利用Lasso和Magic Wand分割工具，按照灰阶图像中解剖结构的颜色值差异和组织纹理走向对女性盆腔主要脏器及支持结构进行分割提取，得到结构轮廓数据集；所述盆腔主要脏器及支持结构包括左髋骨、右髋骨、尾骨、骶骨、子宫、膀胱、阴道、直肠、尿道括约肌、直肠尾骨肌、耻骨内脏肌、耻骨外侧肌、耻骨联合、尾骨肌、耻骨直肠肌深部、耻骨直肠肌浅部、联合纵肌、肛门外括约肌、肛门内括约肌、会阴中心体、肛门尾骨韧带、子宫主韧带、子宫圆韧带、子宫骶骨韧带、骶结节韧带、骶棘韧带、盆筋膜腱弓，共计27个结构；S203、利用Amira的SurfaceGen命令，结合结构轮廓数据集对分割结构进行三维几何模型重建。4.根据权利要求1所述具有力学仿真功能的女性盆底结构有限元模型建立方法，其特征在于，所述采用逆向工程软件Geometric对三维几何模型进行曲面优化和曲面拟合，得到盆底组织的曲面模型，包括：将Amira软件重建生成的三维几何模型以stl格式导入逆向工程软件Geometric中，在该软件中通过消除噪点和杂点的方式进行曲面优化和曲面拟合，得到盆底组织的曲面模型，并将其保存为iges的格式。5.根据权利要求1所述具有力学仿真功能的女性盆底结构有限元模型建立方法，其特征在于，采用有限元模型建立软件Hypermesh对盆底组织的曲面模型进行网格划分、模型设置和材料属性赋值，并根据模型设置和材料属性赋值建立各个骨骼、器官和组织的有限元模型，以及整个盆底结构的有限元模型；包括：S401、根据盆底各个结构的解剖学特点，采用不同的网格形式来进行划分，包括：S4011、采用四面体和六面体划分骨骼结构，包括，左髋骨、右髋骨、尾骨和骶骨；
S4012、采用壳单元划分扁平结构的脏器以及肌肉韧带组织，包括，膀胱、直肠、尿道括约肌、直肠尾骨肌、耻骨内脏器、耻骨外侧肌、耻骨联合、尾骨肌、肛门尾骨韧带、子宫主韧带、子宫圆韧带、子宫骶骨韧带、骶结节韧带、骶棘韧带、盆筋膜腱弓；S4013、采用四面体实体网格划分解剖学特征较为复杂的结构，包括，子宫、会阴中心体、耻骨直肠肌深部、耻骨直肠肌浅部、联合纵肌、肛门外括约肌和肛门内括约肌；采用六面体实体网格划分阴道；S4014、步骤S4011至S4013中各个相邻结构之间均采用共节点的连接方式；并且，对模型单元的结构和质量进行控制，建立后的模型单元质量为：雅克比系数小于0.6的单元比例小于1％，最小值为0.48；翘曲度大于15
°
的单元比例小于2％，最大单元翘曲度为36.2
°
。S402、盆底结构有限元模型设置S4021、骨骼模型将骨骼表面厚度为1.5mm的表层设置为骨皮质，将骨皮质内部的结构设置为骨松质，其中，采用四面体网格划分骨松质，采用六面体网格划分骨皮质；并且，将骨骼设置为刚性材料，并约束其6个方向的自由度；S4022、骨盆相关韧带模型采用壳单元划分盆底骨骼间的相关韧带，包括，肛门尾骨韧带、骶棘韧带、骶结节韧带、耻骨联合和盆筋膜腱弓；采用共节点方式实现韧带与骨骼之间的连接；采用线弹性材料模型模拟韧带；S4023、子宫韧带模型采用壳单元划分扁平结构的子宫韧带，包括子宫主韧带、子宫骶骨韧带和子宫圆韧带，并根据其实际解剖学特性赋予相应的厚度；S4024、肛提肌韧带模型采用四边形壳单元划分肛提肌，包括直肠尾骨肌、耻骨内脏肌、耻骨外侧肌、尾骨肌，并根据其实际解剖学结构特性赋予相应的厚度，采用共节点连接方式实现肛提肌韧带与周围结构间的连接；S4025、盆底主要器官模型采用壳单元划分膀胱，其厚度设置为3mm；采用壳单元划分与膀胱相连的尿道括约肌，其厚度设置为3mm；采用四面体网格划分子宫；采用六面体网格划分阴道；采用共节点连接方式实现阴道壁与子宫的连接；采用壳单元划分直肠，其厚度设置为0.8mm；采用四面体网格划分耻骨直肠肌深部、耻...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐洲，吴毅，张小勤，刘红军，杨静怡，刘丽，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军军医大学，
类型：发明
国别省市：