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脊柱腰段的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能重要，既承受重力又靈活運(yùn)動，臨床的病變及損傷非常多見。骨質(zhì)疏松是一種常見的老年性退行性病變，椎骨骨質(zhì)疏松對脊柱的生物力學(xué)有重要影響。許多腰椎疾病的發(fā)生與其生物力學(xué)特性密切相關(guān)，過去使用動物實(shí)驗和體外生物力學(xué)實(shí)驗方法對腰椎進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的分析很難達(dá)到預(yù)期的目的，現(xiàn)在可以用三維有限元分析法對脊柱進(jìn)行精細(xì)的生物力學(xué)分析。隨著有限元分析法在骨科生物力學(xué)研究中的應(yīng)用，使得腰椎等部位數(shù)字模型的建立和有限元分析已成為可能。實(shí)驗通過Mimics、Geomagic和Ansys軟件，建立了正常脊柱腰段及骨質(zhì)疏松三維有限元數(shù)字模型，為脊柱腰段各結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析搭建了一個數(shù)字化平臺單一樣本重復(fù)實(shí)驗。
對象：選取1名健康男性志愿者，25歲，身高175 cm，體質(zhì)量70 kg，既往身體健康，無神經(jīng)系統(tǒng)疾病家族史，預(yù)先行腰椎CT掃描排除腰椎器質(zhì)性疾病。實(shí)驗前告知志愿者相關(guān)內(nèi)容，并征求其同意。
主要設(shè)備及應(yīng)用軟件：螺旋CT(西門子Somatom64型全身CT機(jī))由醫(yī)院提供，酷睿雙核臺式電腦(CPU：酷睿雙核；內(nèi)存：4 G；硬盤：500 G；顯示器：21寸寬屏液晶；顯卡：9600GT)由解剖教研室提供，Mimics11.0醫(yī)用圖像與三維重建軟件(Materialise公司)，Geomagic9.0逆向工程軟件(Geomagic公司，美國)，Ansys10.0軟件(ANSYS公司，美國)。
方法：CT圖像掃描：志愿者取仰臥位，將腰部固定做CT螺旋掃描。掃描范圍包括第12胸椎至骶骨在內(nèi)的所有骨及關(guān)節(jié)。螺旋掃描參數(shù)為：120 kV，36 mA，螺旋層厚0.699 mm，床進(jìn)速度0.707 mm/s。最終得到239幅二維掃描斷層圖像，分辨率為512×512象素。CT掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式存儲到可讀寫光盤。MIMICS10.0建模：將CT掃描的DICOM文件導(dǎo)入軟件MIMICS10.0，見圖，利用軟件自帶的閾值調(diào)整工具(Thresholding)提取輪廓，見圖。將閾值界定在482-2 476 Hu，形成蒙皮(Mask)，將骨與其他組織明顯地區(qū)分開來。利用MIMICS10.0自帶的3D生成(Calculate3D)功能，生成腰椎整體3D模型。利用選擇性編輯(edit masks)去除毛刺、填補(bǔ)骨骼層內(nèi)的假孔，使分割得到的骨骼模型表面光滑；去除冗余數(shù)據(jù)。最后，將MIMICS10.0處理好的腰椎3D模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為能為Geomagic9.0軟件所識別的STL三維圖形格式輸出并保存。
利用軟件自帶的閾值調(diào)整工具(Thresholding)提取椎間盤輪廓，在此基礎(chǔ)上利用選擇性編輯(edit masks)根據(jù)人體腰椎椎間盤結(jié)構(gòu)人工手繪椎間盤模型，將手繪好的椎間盤模型選擇性編輯處理后經(jīng)過Calculate 3D生成各腰椎椎間盤3D模型。將生成的3D腰椎間盤模型導(dǎo)入光滑處理軟件(remesh)中進(jìn)行光滑處理，得到光滑后的腰椎椎間盤模型。用同樣方法生成前縱韌帶、后縱韌帶、棘上韌帶的3D模型。應(yīng)用Geomagic9.0軟件，進(jìn)行人體腰椎三維幾何模型的后處理。將MIMICS10.0生成的三維圖形文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic9.0進(jìn)行剪輯處理。經(jīng)過點(diǎn)階段、多邊形階段、成形階段的處理最終生成能被ANSYS等有限元軟件所識別的IGES文件。
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