在有限元分析领域当中,对于人体三维模型的重建,目前应用最广泛的是MRI和CT三维扫描数据。
MRI医学成像技术,即核磁共振成像技术,具有高度的组织对比分辨率、高解析度、对人体无电离辐射等优点,能在不改变受试者扫描体位的前提下做出横状面、矢状面、冠状面、斜状面四种断层图像。比CT扫描所成的图像具有更高的软组织分辨率。但MRI技术主要偏向于对软组织的高分辨率成像,对骨骼的分辨率不如CT成像技术清晰。除此之外,MRI技术还存在着扫描层厚和扫描间距不够精细的问题,这将会影响到三维重建图像的准确性和清晰度[19]。
CT医学成像技术,即X射线计算机断层成像技术,是根据不同密度来确定电信号的强度以获得图像的。随着医学成像技术的发展和存储图像格式软件的开发,CT扫描获得的图像以DICOM(digital imaging and communications in medicine)格式存储,计算机可以直接读取这一格式的数据。CT扫描技术可以清晰地显示出骨骼与软组织之间的边缘轮廓,通过(Mimics)等医学逆向建模软件能够获得清晰的骨骼,但对软组织的识别相对模糊,无法准确地获取肌肉、足底筋膜、韧带、软骨等组织的几何形态。虽然CT扫描技术存在着一定的缺点,但是它较高的精确度和方便快捷的特点使得其在目前的有限元分析建模数据的采集中被广泛使用[76,77]。
目前常用的足部三维有限元模型构建的方法主要有两种。一种称为直接法,直接从医学影像图构建有限元模型;另一种称为间接法,利用专业的辅助软件将前期扫描得到的医学图像逆向生成足部实体模型,然后再对其进行网格划分形成有限元模型。
(1)直接法
用直接法构建有限元模型需要对医学图像进行手动标记描点,以获取足部的三维点坐标数据,然后再将这些点的三维坐标输入有限元软件中进行网格划分。直接法生成有限元模型简单易学,但由于需要手动标记来生成点坐标,这个过程工作量大,带来的误差也会较大。
(2)间接法(www.xing528.com)
间接建模法,又称为自动网格化法。这种方法需要专业的三维逆向软件对医学图像数据进行重建,生成实体模型之后,再输入专业的有限元软件中进行网格划分,形成有限元模型。间接建模法生成的三维有限元模型较直接法更加精确,有利于在科学研究中得到更加真实的数据。但间接建模法对模型的三维重建有很高的要求。目前用于三维重建的软件有MATLAB、CAD、Geomagic Studio、Mimics等。
①MATLAB软件:所得模型精度高、建模速度快,但是建模过程中运用的是高级矩阵语言,对于非计算机专业的人员掌握起来有一定难度。
②CAD软件:是利用其强大的图像处理功能将三维坐标数据转换成实体模型然后再导入有限元分析的软件,但利用CAD软件构建的模型与有限元分析软件兼容性较差,得到的模型会影响结果的可靠性。
③Geomagic Studio软件:可以从扫描获得的点云图直接生成比较完美的实体模型和网格模型,并且能直接生成NURBS曲面。
④Mimics软件:是一种专业的医学逆向三维重建软件。该软件能够导入通过CT扫描获得的DICOM格式图片,利用阈值设置来对骨骼、软组织进行三维重建。该软件能够直接生成并输出STL格式的网格化模型。除了直接生成网格模型之外,该软件自带的FEA模块能将构建的网格模型进行优化和简化得到合理的模型,便于后期的分析。利用该软件得到的人体骨骼和软组织的三维重建模型误差小,具有良好的仿真效果,并且该软件的网格重建功能方便地生成后期分析可用的合理模型。因此Mimics软件被广泛地应用在医学研究中。在本案例中,选用对骨骼及软组织具有良好仿真效果的Mimics软件来进行CT图像的重建[78]。
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