基于CT的正常与骨质疏松股骨模态分析王汝良张凯旋胡霖霖摘要：通过对志愿者人体股骨的CT影像数据进行图像处理，获得高精度的股骨三维模型，采用正向工程建立有限元模型，针对股骨的各向异性的材料特性，应用股骨材料属性经验公式获得正常股骨的材料属性与骨质疏松的股骨材料和属性，利用ANSYSMODAL仿真软件对正常股骨、骨质疏松的股骨进行前6阶模态计算，获得前6阶的股骨振动频率。根据所得数据，可对股骨假体置换手术提供借鉴，应避免与股骨的频率相近而产生谐振。关键词：股骨;模态;正向工程;振动频率：TP319：ADOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.015本文著录格式：王汝良，张凯旋，胡霖霖，等.基于CT的正常与骨质疏松股骨模态分析[J].软件，2019，40（4）：7780【Abstract】：ThroughimageprocessingofCTimagedataofhumanfemurofvolunteers，ahigh-precisionthree-dimensionalmodeloffemurisobtained.Afiniteelementmodelisestablishedbyforwardengineering.Accordingtotheanisotropicmaterialpropertiesoffemur，thematerialpropertiesofnormalfemurandthefemoralmaterialandpropertiesofosteoporosisareobtainedbyusingempiricalformulaoffemoralmaterialproperties.Thefirst6modesofnormalfemurandosteoporoticfemurarecalculatedbyusingANSYSMODALsimulationsoftwaretoobtainthefirst6modesoffemurvibrationfrequency.Accordingtotheobtaineddata，itcanprovidereferenceforfemoralprosthesisreplacementsurgeryandshouldavoidresonancecausedbythefrequencyclosetothatoffemur.【Keywords】：Femur;Modal;Forwardengineering;Oscillationfrequency0引言髋关节和膝关节是人体的重要承重部位，也是关节损伤和炎症的多发部位，假体置换是缓解人体关节严重失效的常用方法之一[1-3]。由于置换假体涉及到非常复杂的生物力学，置换的假体会与髋关节生理载荷发生响应，造成一般的实验手段无法准确的测定。随着计算机硬件和有限元理论的发展，利用计算机模拟来建立更接近真实形态股骨生物力学模型，对于置换假体的优化设计提供了很重要的参考[4]。目前，在骨骼建模中，多数学者应用CAD逆向建模技术三维重建出模型，但是由于CAD软件曲面拟合效果带来很多的误差，不同软件之间的切换、导入，容易导致模型的信息丢失，而且建模费时，费力，因此建模结果的准确性会影响后续的计算结果。在材料方面，多数学者采用皮质骨、松质骨分开建模、分别赋予均质、各向同性的材料属性，甚至有的采用一种材料属性，这种方法与真实的股骨材料特性差距较大。本文采用的是0.5mm层厚的股骨CT图像DICOM数据进行三维建模，利用MIMICS的高级分割功能、计算三维工具，提取出股骨的三维模型，并通过解剖学CAD软件3-matic对模型进行光顺等编辑处理，利用SimLab强大的网格划分功能进行网格划分，材料方面，应用基于CT灰度值技术赋予股骨10种各向异性的非均质股骨材料属性[5，6]，以模拟股骨的实际力学特性。1材料与方法1.1基于CT的股骨DICOM数据资料数据来源：经志愿者本人同意，并签署知情同意书，采集男性、年龄41周岁的志愿者股骨CT影像DICOM格式数据。扫描设备为东软公司NMS/NeuViz128排CT机，矩阵：512×512;电压：120kv;层距：0.5mm;层数：1206。本实验经医院伦理委员会批准，符合伦理学规定;图像后处理工作站：戴尔PrecisionT7810：XeonE5-2609v3中央处理器、nVIDIAQuadrok2200图像显卡;16G内存;图像处理及分析软件：Mimics21.0、3-matic13.0（比利时Materialise公司医学图像处理软件和解剖学CAD软件）;SimLab2017（美国Altair公司有限元分析前处理软件）;AnsysWorkbench18.0（美国ANSYS公司大型有限元仿真软件包）。1.2方法本实验采用正向工程方式建立有限元模型，采用各向异性、非均质的方式赋予材料属性。具体流程为（图1）。1.2.1股骨模型三维重建与网格划分利用MIMICS21.0软件导入股骨CT影像DICOM数据，使用CTBoneSegmentation功能，将所选择的股骨提取出来，并初步进行光滑等处理，直接导入3-matic13.0软件中，对其进行补洞、光滑、修复三角面片缺陷以及初步划分面网格等。经上述操作后，将股...