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用于微循环实验的交变磁场的三维有限元仿真研究
目的:为深入了解螺线管型交变电磁场磁感应强度的时间和空间分布,本文研究了这种微循环实验中常用的医用磁场的三维有限元模型的建立及分析过程.方法:根据经典电磁场理论,应用Comsol Multiphysics多物理场耦合软件进行计算机辅助设计并赋予模型边界条件后进行网格划分,后得到该模型的数值解.结果:成功拟合出螺线管型交变电磁场磁感应强度的轴向和径向衰减曲线.拟合结果与实际情况近似,并算出交变电磁场的时空分布.结论:本研究首次系统的建立了螺线管型交变电磁场的三维有限元模型,能够较精确的模拟该磁场磁感应强度分布,为进一步进行的磁场影响微循环系统的实验中磁场的定位问题提供了理论依据,并为进行血流在不同磁场中的血液动力学研究建立了仿真平台.
关键词： 磁场 三维模型 Comsol Multiphysics 有限元 微循环 -
基于MRI切片的人体复杂结构的三维建模方法
目的:探讨使用Mimics软件构建包含皮肤、肌肉、脂肪以及骨骼的复杂三维人体模型的方法及意义.方法:利用MRI(Magnetic Resonance Imaging)切片通过MIMICS软件分别建立人体骨骼、肌肉、脂肪、皮肤等几何面模型,准确表达人体组织和器官的复杂几何结构;将组织和器官的几何面模型导入到MAGICS中进行面网格划分,通过ANSYS软件将面网格转化为体网格,得到人体各器官和组织的三维几何体模型;进而给骨骼、肌肉、脂肪、皮肤分别赋予材料特性(弹性模量和泊松比等),可以模拟真实人体组织和器官的物理属性.结果:利用MIMICS的布尔运算将各部分组织和器官进行组装,得到人体复杂结构的三维实体模型.结论:与目前常用的基于几何学的人体模型建模方法相比,使用该方法建立的三维实体模型可以完全模拟人体器官和组织的真实结构,等效程度高、建模速度快,所建立的数学模型可以直接用于3D打印、模具制造及等效假人的运动学和力学分析,广泛应用于医学、人机工程学等领域.
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基于三维模型的断层图像结构定位的初步研究
目的:研究利用初步建立的三维模型确定二维断层图像感兴趣结构像素坐标的方法.方法:通过Photoshop图像处理软件绘制断面图像,使用可视化工具包VTK的移动立方体表面重建算法,在VC++6.0的编译环境下对其进行三维重建以及立体显示.用自行开发的坐标转换处理程序对三维模型上提取的坐标值进行处理,计算断层图像相应结构的像素坐标.结果:建立了一个表面带有S型凹槽的三维模型,通过计算三维模型上凹槽结构的一系列坐标,得到二维断层图像上相应结构的像素坐标点.结论:本研究以VTK重建的三维模型为基础,提出了一种利用已建成的三维模型来指导二维断层图像结构定位的方法,为人体复杂结构的分割与修正以及某些在二维断层图像上无法识别的结构的定位提供了一种新的手段.
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人体颅脑计算机三维模型的创建
目的:利用病人头部的CT/MRI二维断层扫描图片数据创建三维颅脑模型,从而对病人颅脑进行治疗和研究,为颅脑模型数据库的建立提供了方法.材料与方法:用逆向工程理论,Mimics逆向工程软件.结果和结论:研究人员可以根据特定病人头部的CT/MRI影像的二维成像数据,通过Mimics逆向工程软件设计并创建三维颅脑模型,为病人颅脑疾病进行临床治疗和手术建立计算机模拟模型,为科研、教学和建立颅脑模型数据库提供方法和积累了资料.
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计算机三维模型在解剖教育中的应用
在传统的解剖学教学中,学生通过文字描述、图表、教具和尸体解剖来获得解剖学知识.这样的教学方式在帮助学生理解解剖结构的三维形态方面有局限性.计算机三维模型在解剖结构学习中的优势是可以从多角度观测,形象直观;可以使学生学习的更快,学习效率更高.本文首先介绍了解剖教育中所用计算机三维模型的构建方法和步骤.然后,按模型构建的难易程度将其分为两类,分别分析其在解剖教育中的应用.一类是较容易重建的三维模型,该类模型可以自动或半自动的构建,建模周期短,已在解剖学教育中得到广泛应用.以较大骨组织模型为例,分析了其应用于解剖教育的研究进展.另一类是较难重建的三维模型,以耳颞部和神经三维模型为例,对其应用于解剖教育的研究进展进行综述.分析了主要的耳颞部三维模型构建方法:基于解剖学参数构建三维模型和利用组织切片图像或者Micro-CT图像构建三维模型,并比较了两种方法的优缺点.分析了神经系统三维模型构建的主要方法:构建了骨组织等框架组织三维模型后,根据文献描述的神经与骨组织的相互关系“雕绘”构造神经三维模型.后,讨论了三维模型构建方面存在的问题和对三维模型在解剖学教学中的作用的不同看法.
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计算机辅助下颌骨截骨的三维显微结构模型建立
目的 探索计算机重建下颌骨三维显微结构模型及下颌角截骨手术的三维仿真操作方法 ,以减少手术操作中的组织损伤. 方法 利用螺旋CTA数据重建包含血管神经束的下颌骨三维模型并进行测量分析,使用Freeform雕刻刀及其布尔运算的切割方法 对模型进行保护血管的手术模拟.结果 利用计算机辅助技术可以精确的重建包含下牙槽动脉的下颌骨三维模型:血管从下颌孔进入下颌支.依照下颌支外缘弧度走行,下颌孔距下颌支前缘距离为(19.13±0.66)mm,孔距下颌支后缘距离为(18.96±0.64)mm,下颌角的角度为(109.70±4.67)°,下颌支的安全截骨范围和角度是平行下颌支外缘(12.62±0.28)mm宽、与下颌底成角(22.30±4.67)°;根据模型与数据,Fredorm可以模拟安全的下颌角截骨的手术操作. 结论 下颌骨显微结构的三维模型重建和测量分析技术,是增加手术安全性的一条新途径.
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数字化肾结石三维模型的建立及虚拟手术仿真
目的 建立数字化肾结石三维模型,并虚拟仿真经皮肾镜碎石术(PCNL).方法 采集8例不同类型肾结石患者的CT数据,利用三维重建软件mimics 10.0进行图像分割和三维重建,建立一体化肾结石三维模型.根据肾结石三维模型提供的肾内及肾脏毗邻器官解剖关系,制定出合理的个体化手术方案,并通过FreeForm Modeling System进行PCNL虚拟手术仿真.结果 共建立了8例患者的肾结石三维模型,三维模型直观显示了肾内结石、集合系统、肾内血管及周围毗邻脏器的关系,在三维模型上模拟了PCNL经皮穿刺、扩张及碎石过程,完成了个体化的PCNL虚拟手术仿真.结论 数字化肾结石三维模型为手术设计提供了可靠和全面的依据,PCNL虚拟手术仿真对提高碎石率和减少手术并发症有重要指导意义.
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利用数字化三维模型评估CTA及MRA腹盆腔血管成像特点的研究
目的 通过CT血管造影(CTA)和磁共振血管成像(MRA)原始图像分别构建腹盆腔血管数字化三维模型,用三维模型评估CTA及MRA对腹盆腔血管显示的差异.方法 采集25例健康青年女性的CTA及MRA原始数据集,利用三维重建软件(Mimics 10.01)分别构建腹盆腔动静脉血管的三维模型,观察两类模型中腹主动脉、下腔静脉、髂总动静脉、髂内外动静脉、子宫动脉、闭孔动静脉、臀上下动脉及其分支、阴部内动脉、骶正中动静脉、卵巢动静脉、骶前静脉丛的重建情况.并用卡方检验统计分析两类模型中上述血管显示率是否有差异.结果 两种方法对于腹主动脉、下腔静脉、髂总动静脉、髂内外动静脉、臀上下动脉、子宫动脉几乎均能达到100％显示,CTA模型对于左右闭孔动静脉的显示率分别为92 9、80％、44％、32％;MRA模型则分别是84％、72％、36％、44％,二者显示差异无统计学意义(P=0.382、P=0.508、P=0.564、P=0.382).对于骶前静脉丛,包括骶1横静脉、骶2横静脉、骶3横静脉、骶4横静脉,25例CTA模型的显示率分别是4％、8％、0％、4％;而MRA模型的显示率分别是76％、92％、96％、44％,二者差异具有统计学意义(P＜0.01、P＜0.01、P＜0.01、P=0.01).结论 基于三维模型的观察,MRA对于腹盆腔四级血管的显示率与CTA差异无统计学意义,且MRA对于骶前血管网的显示优于CTA.
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Mimics14.0软件在胫骨螺钉外固定架模型建立的初步应用
目的 利用Mimics 14.0软件重建、组合、赋值外固定架螺钉的三维模型,为遴选适宜的外固定架材料创造条件.方法将CT扫描层厚0.625 mm的DICOM格式图像1 000张导入Mimics 14.0软件,筛选出胫骨平台下5 cm处图片60张进行三维重建,将螺钉扫描后导入胫骨骨干的三维模型中,利用Mimics 14.0软件的自适应装配,赋值功能生成组合模型.结果胫骨生成4 744个三角面片,创建582 750 个单元,螺钉生成4 362个三角面片,创建11 868个单元.结论 Mimics 14.0软件可快速、有效生成三维模型,便于Ansys、Abaqus等有限元软件进行分析,为不同材料属性的螺钉的抗拔出力等生物力学研究提供基础.
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左归丸含药血清对血管生成体外三维模型的影响
目的:观察高效液相色谱(HPLC)监测制备的左归丸含药血清对人脐静脉血管内皮细胞(HUVEC)增殖及血管生成体外三维模型的影响.方法:左归丸灌胃大鼠后,于不同时间点制备血清,HPLC监测下,选取药物成分峰值大时间点的含药血清进行体外实验.噻唑蓝(MTT)法观察左归丸含药血清对HUVEC增殖的影响,Ⅰ型鼠尾胶原表面培养法观察左归丸含药血清对三维模型管样结构的影响.酶联免疫吸附测定(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)检测雌二醇E2(estradid)、血管内皮生长因子VEGF(vascular endothelial growth factor)水平.结果:左归丸灌胃后2h可达高药物吸收峰值,左归丸11g/kg(72h),左归丸33g/kg(24、48、72h)对HUVEC均有明显的增殖作用.左归丸11 g/kg、左归丸33g/kg均可明显的增加内皮小管的面积、长度、管径及生成指数.左归丸11g/kg、左归丸33g/kg均可明显的提高大鼠血清E2、VEGF水平.结论:HPLC监测下制备的左归丸含药血清能够促进血管内皮细胞的增殖,增大小管的面积、长度、管径及成管指数,提高血清E2、VEGF水平,从而促进血管生成.
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数字化大鼠动脉血管系统三维模型的建立
采用含造影剂及显色剂的填充剂对成年SD大鼠动脉血管系统进行灌注,并借助数字X射线成像设备对灌注效果进行实时监测,通过断层解剖成像系统获取切削间距为100 μm的二维断面解剖数据集(图像分辨率为4917×3446×24 bit,共1 464张),后利用Visual C++结合可视化工具包编程实现数据集的动脉分割及三维可视化,得到数字化SD大鼠动脉血管系统的三维模型.该模型能提供大鼠动脉血管系统的空间结构信息,为实验大鼠血管系统的研究提供了更为准确可靠的形态学参考.
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人体左心室三维有限元模型构建及流-固耦合动力学分析
有限元分析是研究心血管动力学问题的重要手段.本文基于中国数字人体心脏断层解剖图像,采用Visua1 C++可视化工具包对心脏外形及内腔结构进行三维重建,进一步基于结构模型构建了左心室、血液耦合有限元模型.在通用有限元分析软件ANSYS环境下使用双向流-固耦合方法对心脏灌注期心室壁受力与血液流动过程进行了动力学仿真.仿真结果成功实现了对心脏灌注期心室两阶段充盈过程中室壁应力与血液流体动态特性的定量分析.本研究提供了一种基于二维医学图像信息构建心室有限元模型,并进行心室血液流体力学模拟的新方法,为心脏生理及病理过程的定量有限元分析提供了一套可行的技术方案.
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应用快速成型技术制作人体肩胛骨骨折模型
目的 将快速成形技术应用于骨科领域,为骨科医学的发展提供了一个崭新的手段.方法 通过螺旋CT得到整个肩胛骨的二维CT影像,后通过计算机辅助设计系统(CAD)建立三维模型,再输出快速成型设备可以读取的STL格式.利用ZSW-1型激光快速成型机将STL文件加工成肩胛骨的纸基模型.结果 采样后肩胛骨三维重建图像及LOM法制作的肩胛骨三维模型,可以明显地看到骨折和损伤的部位.结论 通过观察和研究模型,可以直观的了解病人的病情,从而使外科医生在未进行手术的情况下,可以预先模拟手术过程,找出较好方案,使手术快速准确的完成.
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血液信息化标准体系框架研究
血液信息化标准体系研究是血液信息化建设的重要内容.本文从标准、标准体系及信息化标准体系等相关概念入手,通过分析血液信息化标准研究的国内外现状,提出以血液领域(对象)、信息化内容(内容)和标准层次(级别)为维度的血液信息化标准体系框架三维空间模型,进而对标准体系框架内涵做了阐述,勾勒了构建血液信息化标准体系的合理性与可行性.
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不同定位方法单双束解剖重建前交叉韧带的疗效比较研究
目的 比较采用不同定位方法行单、双束重建前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)的疗效.方法 2010年5月-2013年4月,将符合选择标准的120例ACL损伤患者纳入研究.根据手术方法不同,患者分为4组(n=30).A组:按传统定位进行双束重建;B组:在ACL残留足迹上进行个体化解剖定位双束重建;C组:按传统定位进行单束重建;D组:在ACL残留足迹上进行个体化解剖定位单束重建.各组患者性别、年龄、病程、侧别、致伤原因及术前Lysholm评分、国际膝关节文献委员会(IKDC)分级、Lachman试验、前抽屉试验、轴移试验比较,差异均无统计学意义(P＞0.05),具有可比性.术后即刻行患膝MRI扫描,并建立三维模型,评定ACL移植物与股骨髁间窝是否存在撞击;采用Lachman试验、前抽屉试验、轴移试验以及Lysholm评分、IKDC分级比较组间疗效差异.结果 三维模型分析显示:A组11例(36.7％)出现撞击,B组1例(3.3％),C组9例(30.0％),D组无撞击发生.其中,A、C组撞击发生率显著高于B、D组,比较差异有统计学意义(P＜0.05);A、C组间及B、D组间比较,差异无统计学意义(P＞0.05).4组患者术后切口均Ⅰ期愈合,无早期相关并发症发生.患者均获随访,随访时间24～30个月,平均26个月.术后24个月4组Lysholm评分、Lachman试验、前抽屉试验及轴移试验比较,差异均无统计学意义(P＞0.05);组内术后均显著优于术前,差异有统计学意义(P＜0.05).术后24个月IKDC分级比较,B、D组显著优于A、C组,比较差异有统计学意义(P＜0.05);A、C组间及B、D组间比较,差异均无统计学意义(P＞0.05).结论 与传统定位方法相比,按残留足迹进行个体化解剖定位单、双束重建ACL均可降低术后撞击发生率,膝关节功能恢复更好.
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快速成型技术--三维头颅模型的制作及在颅颌面创伤修复中初步应用一例
目的探讨利用电子束CT(electron beam CT,EBCT)数据、快速成型技术制作三维头颅模型的方法,以及在颅颌面创伤后骨缺损修复中的应用. 方法 EBCT连续薄层容积扫描提取层面轮廓数据,所得数据以计算机辅助设计软件构建曲面模型,模型数据输入AFS-320 QZ激光快速成型机,运用液态光敏树脂选择固化法,以光敏树脂为成型材料获得仿真三维头颅实体模型,在实体模型上进行手术模拟并预制个体化骨缺损修复体.应用于外伤后二期额骨缺损修复1例,患者术前左侧额部凹陷,鼻根低平,鼻梁左侧歪斜;EBCT扫描左额骨缺损4 cm×6 cm. 结果 EBCT数据和快速成型技术结合制作的三维仿真头颅实体模型,能详尽、直观地显示颅颌面创伤后骨骼的三维解剖结构及相互关系.患者利用模型预制的修复体与缺损适配性好,术后左额骨缺损达解剖意义修复,鼻梁塌陷歪鼻畸形获得矫正.随访1年5个月,医患双方均满意. 结论三维头颅模型能真实再现病体原形,为准确诊断、手术计划及模拟提供真实的虚拟空间,在颅颌面创伤修复中具有重要的意义.
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下颌骨骨折骨断端生物力学特性的三维模型研究
目的 研究下颌骨不同部位骨折断端的生物力学特性,指导临床术后患者进行合理的功能性咀嚼运动.方法 精确测量9个成年男性下颌骨标本,建立下颌骨三维力学研究模型.分别计算在下颌牙列不同咬合点功能负载时下颌角、下颌体颏孔区及下颌正中联合区3个骨折好发部位骨折断端截面上的弯矩、扭矩及剪应力.应用Origin 6.0数据处理软件分析.结果 下颌角区骨折断端截面上具有相对较高的正弯矩及剪应力;下颌体颏孔区骨折骨断端截面上正负弯矩作用较大,而且骨折侧下颌骨后牙咬合时扭矩大;正中联合骨折时,整个牙列不同部位负载骨折截面上均只形成负弯矩,扭矩和剪应力作用较小.结论 在功能负载条件下,下颌角、下颌体颏孔区及下颌正中联合等骨折断端截面上呈现出各自的生物力学特性,这些力学特性对于临床上治疗不同部位下颌骨骨折和对患者术后正确的咬合指导具有十分重要的意义.
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人颅面骨三维有限元模型的建立
目的 利用计算机辅助技术,建立颅面骨三维有限元模型,为颌面部火器伤的生物力学分析奠定基础.方法 通过薄层螺旋CT扫描正常志愿者颌面部,将获得的颅面骨数据通过Mimics软件进行三维实体重建,利用ANSA软件进行布尔运算,生成颅面骨骼,进行网格划分.结果 建立了上颌骨、下颌骨等颅面骨三维有限元模型.结论 利用薄层CT,结合Mimics、ANSA软件建立的颅面骨有限元模型真实准确,建立方法实用,可根据枪弹伤情况进行不同的生物力学分析.
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时效救治"三维模型"的构想
战伤的时效救治是军队医疗保障的基本原则和方法之一[1],其理论基础来自对既往战争统计资料的深入分析.它通过探讨救治措施、时间、效果的关系,从而得出了保障及时性、技术适宜性、救治高效性原则,并提出了不同类型救治措施佳实施时机的量化指标.它对进一步提高战伤救治效率,改善救治效果有着重大的理论意义和实践意义.作为一项卫勤领域的前沿理论,它还需要在实践和研究中不断地拓展充实.
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腰椎峡部缺陷的生物力学建模和有限元模型分析
为探讨先天性、外伤性和医源性腰椎峡部缺陷形成后腰椎生物力学的变化特点及预防损伤加重的有效措施,我们进行了以青壮年新鲜腰椎骨骼为标本生物力学实验,初步报告如下.1材料与方法1.1 医学影像的获取 选取青壮年男性尸体脊柱标本一具,范围从胸椎第十二节段到腰椎第五段,先行X线检查以排除可见的脊椎病变及损害.经螺旋CT沿横断面1 mm层厚扫描,以jPg格式输出其断面图像并转入微机保存.1.2建立正常胸腰段脊柱的三维模型 利用三维重建软件Mimics建立腰段脊椎三维计算机模型.对断层CT影像进行预处理后,调整好连续文件的层厚及点距,建立了T12-L5段正常脊柱性结构的三维模型.此模型再经过自由造型系统FreeForm的修改(主要是表面光滑化处理及对1 mm层厚引起的数据丢失进行修补).
