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摘 要： 按照股骨在站立位、膝关节先着地条件下进行分类，分析股骨在不同状态下的应力分布情况，并对股骨骨折的临床应用提供借鉴。利用MIMICS软件对志愿者股骨CT的DICOM数据进行三维重建模型，利用3-matic进行模型修复、光顺，利用有限元前处理软件SimLab进行有限元网格划分、并应用MIMICS基于股骨CT灰度值赋予材料属性，最后用ANSYS Workbench结构静力学软件进行股骨应力模拟分析。计算结果表明股骨在站立位，应力主要集中在股骨的上中段，在膝关节着地时，股骨下段受力增大，且股踝间受力出现集中现象。计算结果说明不同受力状态下的股骨骨折的可能性。
关键词： DICOM;CT灰度值;股骨;应力分布
中图分类号： TP319 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.010
本文著录格式：王爽，杨宝军，陈广新，等. 基于正向工程建模和CT灰度值赋予材料属性的人体股骨受力分析[J]. 软件，2019，40（4）：5155
【Abstract】： According to the classification of femur in standing position and knee joint landing first， the stress distribution of femur in different states is analyzed， and the clinical application of femoral fracture is provided for reference. MIMICS software was used to reconstruct the DICOM data of volunteer femoral CT accurately in three dimensions. 3-matic software was used to repair and smooth the model. SimLab software was used to divide the finite element mesh， load the force， and MIMICS was used to assign material attributes based on the gray value of femoral CT. Finally， ANSYS WORKBENCH structural statics software was used to simulate and analyze the femoral stress. When the femur is standing， the stress mainly concentrates on the upper and middle part of the femur. When the knee joint touches the ground， the force on the lower part of the femur increases， and the force between the femur and ankle appears to be concentrated. It shows that different stress states determine the possibility of femoral fracture.
【Key words】： DICOM; CT Gray Value; Femur; Stress distribution
0 引言
股骨是人體中最大的长管状骨，股骨骨折是骨科常见疾病，股骨通过股骨头与上方的髋臼相连，组成了人体全身最大且最稳定的关节，在股骨头的外下方是股骨颈，股骨颈的内部全部由松质骨组 成[1]。近年来人股骨骨折的发病率日益增多，已经成为现代骨科常见疾病，股骨骨折方式有两种，一种是股骨近端骨折，股骨近端骨折又可以分为股骨头骨折、股骨颈骨折、粗隆间骨折等等几种;另一种是股骨干骨折[2]。建模与仿真是研究骨骼生物力学的重要手段，在探索骨骼发病机理和完善治疗方案中发挥重要的作用。一些学者应用逆向工程方法，采用皮质骨、松质骨分开建模，以各向同性方式分别给皮质骨、松质骨赋予材料属性。这种建模和赋予材料属性方法存在很多缺点，如模型信息丢失较多，效率低下，计算结果可能会与真实情况相差较多，还有一部分学者采用局部分析法，只分析股骨近端，这种研究不够全面。本实验研究基于正向工程方式，利用比利时Materialise公司的MIMICS 21.0软件对人体股骨DICOM数据进行三维重建和基于灰度值方法赋予模型材料属性，应用解剖学CAD软件3-matic13.0进行模型表面光顺等处理，应用美国Altair公司的SimLab 2017软件对模型进行有限元分析前处理，应用美国ANSYS公司的ANSYS 18.0进行结构静力学仿真计算，通过两种不同受力状态分析，探讨股骨骨折与受力的因果关系。
1 对象和方法
对象：选取男性健康志愿者1名，42岁，身高170cm，应用CT检查排除病变、损伤等情况，受试者知情同意并签署知情同意书，得到医院医学伦理学委员会批准。
设备与软件：扫描设备：中国东软公司的NeuViz 128排螺旋CT;计算机：Dell 7810图形工作站，16G内存，E5处理器，NVIDIA 2G显卡，21寸液晶显示器;软件：比利时Materialise公司医学图像处理软件MIMICS 21.0、正向工程软件3-matic 13.0、美国有限元前处理软件SimLab 2017、美国ANSYS公司有限元仿真分析软件ANSYS 18.0。 方法：（1）三维重建模型：使用东软公司NeuViz 128排螺旋CT机薄层扫描志愿者下肢，扫描电压为120 kv，扫描电流为300 mA，层厚为1 mm。共获得1206层断层图像，以DICOM 3.0格式保存。将获得1206层断层图像以Dicom 3.0格式導入MIMICS21.0软件中[3]使用高级分割功能CT Bone对股骨断层图像进行Bone selection、Mask Threhold、Calculate Part处理，获得右侧股骨的三维重建模型，从左往右依次为股骨正面观、侧面观、后面观（图1）。
（2）股骨有限元模型的网格划分：由于MIMICS获得股骨初步模型存在表面粗糙、细节丢失、三角面片不精确等问题，无法直接用于有限元计算，故需要在将MIMICS中获得的股骨三维初步模型导入3-matic中进行光顺（Smooth）、包裹（Wrap）、补洞（Fill hole）等处理，确保模型足够光滑。应用3-matic Remsh模块对模型进行面网格、将3-matic画完的面网格导入SimLab软件进行体网格划分。体网格划分结果为：四面体10节点，单元数201287，节点数352691。
（3）股骨有限元模型的材料赋值：将模型网格文件导入MIMICS软件中，基于CT断层图像的灰度值，使用经验公式按十种材料属性对股骨有限元模型进行材料赋值（图2）[4]，赋值之后模型以solid187单元类型导出：为避免密度出现负值，本文定义两种材料类型：
（4）股骨仿真计算：对股骨在站立位、膝关节着地情况下的结构静力学仿真计算，对生理状态下的股骨头垂直加载1000 N的力，约束条件分别为：股骨在站立位情况下：对胫骨关节面进行约束;膝关节先着地，在股骨下段的前下方进行约束。
主要观察指标：不同受力条件下的股骨应力与变形分布情况。
2 结果
2.1 股骨在站立情况下的应力与变形分析
由股骨的应力云图（图3）可知，股骨在站立情况下，股骨前、中、后的应力分布不均匀，其中最大应力集中在股骨中段附近。股骨颈存在应力集中现象，最大值为25.379，远小于股骨中段附近的最大值，但股骨颈应力比股骨头大，转子间也存在应力集中且比大小转子大（图4）。股骨头变形最大（图5），变形程度沿股骨轴向由近端到股骨的中段
部位逐渐减小，股骨中段到股骨远端几乎无变形。计算结果验证了在临床上垂直坠落伤时，股骨骨折以股骨中段骨折为主，下段骨折则以螺旋形骨折多见，而股骨颈骨折在这个受伤机制相对较少一些，除了一些骨质疏松患者，特别是股骨颈骨质疏松为主的，可以出现股骨颈及转子间骨折，头及大小转子间骨折[5-7]。
2.2 股骨在膝关节着地情况下的应力与变形分析
股骨在膝关节着地时的应力分布明显与站力情况不同（图6）。股骨的中段仍然是受力最集中的区域，股骨下段应力增大，股骨髁间应力也增大[8-12]，股骨颈的应力也有部分区域达到了25MPa，转子间的应力也增大不少。由股骨的变形云图（图7）可见，股骨变形程度最大的区域为外侧踝、内侧踝、踝间窝、内侧踝等区域。综上所述，仿真计算结果与临床上股骨中段骨折、股骨颈、转子间骨折发生率相吻合。
3 讨论
在骨骼生物力学建模与仿真中，采用基于CT的DICOM数据通过MIMICS等医学图像处理软件进行建模方法日趋成为主流[13-17]，但在建模中的有限元模型构建存在很大的差异，目前主流的方法是才用逆向工程软件比如Geomagic等软件将人体骨骼模型由STL格式转换成CAD格式，再构建出骨骼模型[18-25]，其中，对皮质骨、松质骨分别建模，在赋予材质上采用各向同性的材料赋值法。此种方法的优点是非常有利于有限元模型的装配、网格划分、有限元软件的导入，计算收敛方面也有很多的优势，成功率高。但是，由于人体骨骼的特殊性，使用多个软件进行往复导入，必然导致模型的信息丢失，而且容易造成模型的结构与真实情况相差很大。3-matic是比利时Materialise公司开发的应用于“解剖学CAD”的软件，可以直接以stl格式进行模型处理、网格划分，减少逆向工程的往复导入，减少因往复导入导致的信息缺失的错误，此外采用MIMICS自有的各向异性的基于灰度值的材料属性赋予方法，相较于均质法，更真实、更科学，更贴近人体真实情况。
参考文献
[1] 樊瑜波， 王丽珍. 骨肌系统生物力学建模与仿真. 人民卫生出版社， 2018. 6： 327-329.
[2] 陈龙， 张军洋. 基于CT股骨有限元模型精确重建及模态分析[J]. 计算机仿真， 2014. 31（2）： 280-281.
[3] 陈广新， 董默， 宋海南， 等. 股骨3D模型构建在股骨头置换手术中的应用研究[J]. 软件， 2017. 38（12）： 74-77.
[4] 李峰， 吴华. 基于DICOM数据构建股骨三维有限元模型的精确力学分析. 中国组织工程研究[J]， 2013. 17（30）： 5483- 5484.
[5] 方国芳， 林荔军， 于博， 等. 不同状态下的股骨应力分布及临床应用. 中国组织工程研究[J].
[6] Lubin I M， Aziz N， Babb L J， et al. Principles and Recommendations for Standardizing the Use of the Next- Generation Sequencing Variant File in Clinical Settings[J]. The Journal of Molecular Diagnostics， 2017， 19（3）： 417-426. [7] Rajapakse C S， Chang G. Micro-Finite Element Analysis of the Proximal Femur on the Basis of High-Resolution Magnetic Resonance Images[J]. Current Osteoporosis Reports， 2018， 16（6）： 657-664.
[8] Mirzaei M， Alavi F， Allaveisi F， et al. Linear and nonlinear analyses of femoral fractures： Computational/experimental study[J]. Journal of Biomechanics， 2018： 155-163.
[9] Khor F， Cronin D S， Watson B， et al. Importance of asymmetry and anisotropy in predicting cortical bone response and fracture using human body model femur in three-point bending and axial rotation[J]. Journal of The Mechanical Behavior of Biomedical Materials， 2018： 213-229.
[10] Dagneaux L， Allal R， Pithioux M， et al. Femoral malrotation from diaphyseal fractures results in changes in patellofemoral alignment and higher patellofemoral stress from a finite element model study[J]. Knee， 2018， 25（5）： 807-813.
[11] Completo A， Fonseca F， Simoes J A， et al. Experimental validation of intact and implanted distal femur finite element models[J]. Journal of Biomechanics， 2007， 40（11）： 2467- 2476.
[12] Hambli R， Lespessailles E， Benhamou C， et al. Integrated remodeling-to-fracture finite element model of human proximal femur behavior[J]. Journal of The Mechanical Behavior of Biomedical Materials， 2013： 89-106.
[13] Synek A， Pahr D H. Plausibility and parameter sensitivity of micro-finite element-based joint load prediction at the proximal femur[J]. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology， 2018， 17（3）： 843-852
[14] Chang G， Hotcacho A， Rusinek H， et al. Measurement reproducibility of magnetic resonance imaging-based finite element analysis of proximal femur microarchitecture for in vivo assessment of bone strength[J]. Magnetic Resonance Materials in Physics Biology and Medicine， 2015， 28（4）： 407-412
[15] Klein K F， Hu J， Reed M P， et al. Development and Validation of Statistical Models of Femur Geometry for Use with Parametric Finite Element Models. [J]. Annals of Biomedical Engineering， 2015， 43（10）： 2503-2514.
[16] 王俊然， 杜瑋瑾， 王长江， 郭媛， 陈维毅. 有限元分析不同屈曲状态下胫-股关节的生物力学变化[J]. 中国组织工程研究， 2018， 22（31）： 4975-4981.
[17] 产启平， 陈龙. 基于等几何分析的非均质股骨近端模型的受力分析[J]. 电子科技， 2018， 31（02）： 15-19.
[18] Grassi L， Vaananen S P， Yavari S A， et al. Experimental Validation Of Finite Element Model For Proximal Composite Femur Using Optical Measurements[J]. Journal of The Mechanical Behavior of Biomedical Materials， 2013： 86-94.
[19] 汪浩， 陈彩凤， 仲梁维. 股骨有限元模型构建及钝力性损伤研究[J]. 软件导刊， 2017， 16（07）： 137-139. [20] Duarte R J， Ramos A， Completo A， et al. The importance of femur/acetabulum cartilage in the biomechanics of the intact hip： experimental and numerical assessment[J]. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering， 2015， 18（8）： 880-889.
[21] Bryan R， Mohan P S， Hopkins A R， et al. Statistical modelling of the whole human femur incorporating geometric and material properties[J]. Medical Engineering & Physics， 2010， 32（1）： 57-65.
[22] Ennsbray W S， Ariza O， Gilchrist S， et al. Morphology based anisotropic finite element models of the proximal femur validated with experimental data[J]. Medical Engineering & Physics， 2016， 38（11）： 1339-1347.
[23] 常文舉， 丁海. 股骨近端解剖与生物力学研究进展[J]. 医用生物力学， 2016， 31（02）： 188-192.
[24] Machado M M， Fernandes P R， Zymbal V， et al. Human Proximal Femur Bone Adaptation to Variations in Hip Geometry[J]. Bone， 2014： 193-199.
[25] Klein K F， Hu J， Reed M P， et al. Validation of a Parametric Finite Element Human Femur Model[J]. Traffic Injury Prevention， 2017， 18（4）： 420-426.
关键词： DICOM;CT灰度值;股骨;应力分布
中图分类号： TP319 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.010
本文著录格式：王爽，杨宝军，陈广新，等. 基于正向工程建模和CT灰度值赋予材料属性的人体股骨受力分析[J]. 软件，2019，40（4）：5155
【Abstract】： According to the classification of femur in standing position and knee joint landing first， the stress distribution of femur in different states is analyzed， and the clinical application of femoral fracture is provided for reference. MIMICS software was used to reconstruct the DICOM data of volunteer femoral CT accurately in three dimensions. 3-matic software was used to repair and smooth the model. SimLab software was used to divide the finite element mesh， load the force， and MIMICS was used to assign material attributes based on the gray value of femoral CT. Finally， ANSYS WORKBENCH structural statics software was used to simulate and analyze the femoral stress. When the femur is standing， the stress mainly concentrates on the upper and middle part of the femur. When the knee joint touches the ground， the force on the lower part of the femur increases， and the force between the femur and ankle appears to be concentrated. It shows that different stress states determine the possibility of femoral fracture.
【Key words】： DICOM; CT Gray Value; Femur; Stress distribution
0 引言
股骨是人體中最大的长管状骨，股骨骨折是骨科常见疾病，股骨通过股骨头与上方的髋臼相连，组成了人体全身最大且最稳定的关节，在股骨头的外下方是股骨颈，股骨颈的内部全部由松质骨组 成[1]。近年来人股骨骨折的发病率日益增多，已经成为现代骨科常见疾病，股骨骨折方式有两种，一种是股骨近端骨折，股骨近端骨折又可以分为股骨头骨折、股骨颈骨折、粗隆间骨折等等几种;另一种是股骨干骨折[2]。建模与仿真是研究骨骼生物力学的重要手段，在探索骨骼发病机理和完善治疗方案中发挥重要的作用。一些学者应用逆向工程方法，采用皮质骨、松质骨分开建模，以各向同性方式分别给皮质骨、松质骨赋予材料属性。这种建模和赋予材料属性方法存在很多缺点，如模型信息丢失较多，效率低下，计算结果可能会与真实情况相差较多，还有一部分学者采用局部分析法，只分析股骨近端，这种研究不够全面。本实验研究基于正向工程方式，利用比利时Materialise公司的MIMICS 21.0软件对人体股骨DICOM数据进行三维重建和基于灰度值方法赋予模型材料属性，应用解剖学CAD软件3-matic13.0进行模型表面光顺等处理，应用美国Altair公司的SimLab 2017软件对模型进行有限元分析前处理，应用美国ANSYS公司的ANSYS 18.0进行结构静力学仿真计算，通过两种不同受力状态分析，探讨股骨骨折与受力的因果关系。
1 对象和方法
对象：选取男性健康志愿者1名，42岁，身高170cm，应用CT检查排除病变、损伤等情况，受试者知情同意并签署知情同意书，得到医院医学伦理学委员会批准。
设备与软件：扫描设备：中国东软公司的NeuViz 128排螺旋CT;计算机：Dell 7810图形工作站，16G内存，E5处理器，NVIDIA 2G显卡，21寸液晶显示器;软件：比利时Materialise公司医学图像处理软件MIMICS 21.0、正向工程软件3-matic 13.0、美国有限元前处理软件SimLab 2017、美国ANSYS公司有限元仿真分析软件ANSYS 18.0。 方法：（1）三维重建模型：使用东软公司NeuViz 128排螺旋CT机薄层扫描志愿者下肢，扫描电压为120 kv，扫描电流为300 mA，层厚为1 mm。共获得1206层断层图像，以DICOM 3.0格式保存。将获得1206层断层图像以Dicom 3.0格式導入MIMICS21.0软件中[3]使用高级分割功能CT Bone对股骨断层图像进行Bone selection、Mask Threhold、Calculate Part处理，获得右侧股骨的三维重建模型，从左往右依次为股骨正面观、侧面观、后面观（图1）。
（2）股骨有限元模型的网格划分：由于MIMICS获得股骨初步模型存在表面粗糙、细节丢失、三角面片不精确等问题，无法直接用于有限元计算，故需要在将MIMICS中获得的股骨三维初步模型导入3-matic中进行光顺（Smooth）、包裹（Wrap）、补洞（Fill hole）等处理，确保模型足够光滑。应用3-matic Remsh模块对模型进行面网格、将3-matic画完的面网格导入SimLab软件进行体网格划分。体网格划分结果为：四面体10节点，单元数201287，节点数352691。
（3）股骨有限元模型的材料赋值：将模型网格文件导入MIMICS软件中，基于CT断层图像的灰度值，使用经验公式按十种材料属性对股骨有限元模型进行材料赋值（图2）[4]，赋值之后模型以solid187单元类型导出：为避免密度出现负值，本文定义两种材料类型：
（4）股骨仿真计算：对股骨在站立位、膝关节着地情况下的结构静力学仿真计算，对生理状态下的股骨头垂直加载1000 N的力，约束条件分别为：股骨在站立位情况下：对胫骨关节面进行约束;膝关节先着地，在股骨下段的前下方进行约束。
主要观察指标：不同受力条件下的股骨应力与变形分布情况。
2 结果
2.1 股骨在站立情况下的应力与变形分析
由股骨的应力云图（图3）可知，股骨在站立情况下，股骨前、中、后的应力分布不均匀，其中最大应力集中在股骨中段附近。股骨颈存在应力集中现象，最大值为25.379，远小于股骨中段附近的最大值，但股骨颈应力比股骨头大，转子间也存在应力集中且比大小转子大（图4）。股骨头变形最大（图5），变形程度沿股骨轴向由近端到股骨的中段
部位逐渐减小，股骨中段到股骨远端几乎无变形。计算结果验证了在临床上垂直坠落伤时，股骨骨折以股骨中段骨折为主，下段骨折则以螺旋形骨折多见，而股骨颈骨折在这个受伤机制相对较少一些，除了一些骨质疏松患者，特别是股骨颈骨质疏松为主的，可以出现股骨颈及转子间骨折，头及大小转子间骨折[5-7]。
2.2 股骨在膝关节着地情况下的应力与变形分析
股骨在膝关节着地时的应力分布明显与站力情况不同（图6）。股骨的中段仍然是受力最集中的区域，股骨下段应力增大，股骨髁间应力也增大[8-12]，股骨颈的应力也有部分区域达到了25MPa，转子间的应力也增大不少。由股骨的变形云图（图7）可见，股骨变形程度最大的区域为外侧踝、内侧踝、踝间窝、内侧踝等区域。综上所述，仿真计算结果与临床上股骨中段骨折、股骨颈、转子间骨折发生率相吻合。
3 讨论
在骨骼生物力学建模与仿真中，采用基于CT的DICOM数据通过MIMICS等医学图像处理软件进行建模方法日趋成为主流[13-17]，但在建模中的有限元模型构建存在很大的差异，目前主流的方法是才用逆向工程软件比如Geomagic等软件将人体骨骼模型由STL格式转换成CAD格式，再构建出骨骼模型[18-25]，其中，对皮质骨、松质骨分别建模，在赋予材质上采用各向同性的材料赋值法。此种方法的优点是非常有利于有限元模型的装配、网格划分、有限元软件的导入，计算收敛方面也有很多的优势，成功率高。但是，由于人体骨骼的特殊性，使用多个软件进行往复导入，必然导致模型的信息丢失，而且容易造成模型的结构与真实情况相差很大。3-matic是比利时Materialise公司开发的应用于“解剖学CAD”的软件，可以直接以stl格式进行模型处理、网格划分，减少逆向工程的往复导入，减少因往复导入导致的信息缺失的错误，此外采用MIMICS自有的各向异性的基于灰度值的材料属性赋予方法，相较于均质法，更真实、更科学，更贴近人体真实情况。
参考文献
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