计算机数字仿真是在计算机上建立数学模型。运用计算机仿真技术，基于人体CT或MRI数据建立数字化三维人体模型，可为解剖教学、生理模拟、手术培训提供医疗教学平台。临床医师根据患者的数字化仿真模型，可制订个体化的诊断、术前规划和手术模拟。人体结构的有限元分析有重大的研究意义。医学有限元分析要解决两个重要的问题，一是得到精确的组织结构几何模型，二是根据密度对组织精确地赋材质。由于人体解剖结构的复杂性，曲面的任意性，最高端的CAD软件也无法设计出符合需要的结构模型。使用逆向工程方法进行三维重建只能得到解剖结构外轮廓，不能得到人体解剖内部结构。结构材质分布的不均一性，各种材质的分布界限非线性决定了有限元前处理软件在赋材质时不能有效针对人体结构赋予不同的材质，赋予的材质不能很好的体现人体组织的材料属性。Mimics即Materialise’s interactive medical image control system，全名是数字化三维医学影像交互式控制系统。是比利时Materialise公司的3D图像生成及编辑处理软件。Mimics输入各种扫描数据(CT、MRI)转化为精确的3D数字模型，用于解剖教学、手术模拟和有限元研究。可以在普通PC机上进行大规模数据转换处理。Mimics快速将扫描数据转换成CAD、FEA、RP等数据格式。然后输出到RPM(快速原型制造)、CAD(计算机辅助设计)、CAE(计算机辅助分析)、CAM(计算机辅助制造)和FEA(有限元分析)。Mimics利用基于灰度值提供了一种高效的材质分配方法，可以为3D模型精准地赋材质。FEA模块网格重新划分功能对输入数据进行最大限度的优化，基于扫描数据的亨氏单位，可以对体网格进行材质分配。通过不同的软件接口输出不同的有限元软件进行FEA有限元分析。飞利浦Brilliance 64是行业最为先进的多通道螺旋CT，能够实现同一时刻64探测通道获取64层薄层图像，0.625mm各向同性分辨率让重建的三维图像质量接近完美。扫描的数据以Dicom 3.0标准存储。Dicom全名为Digital Imaging and Communications in Medicine，意指医学数字图像存储与通信标准，是建设综合医疗信息系统和医学影像存档传输系统所必须遵循的国际标准。Dicom 3.0标准的制定使医学图像及各种数字信息在计算机间传送有了统一的标准，Dicom格式的原始图像在预处理时无需进行任何形式图像转换，没有参杂人为因素，大大减轻了有效信息的损失。本研究将飞利浦Brilliance 64排螺旋CT薄层扫描技术和Dicom3.0标准结合起来，利用Mimics在数字仿真与有限元建模方面的优势，对人体各种组织结构三维模型的重建及有限元分析的最优化设计加以探讨。第一部分基于CT断层图像人体骨骼有限元几何模型的快速重建目的：寻求更为快捷、精确的基于CT断层图像重建人体骨骼结构有限元几何模型的方法。方法：利用Philips／Brilliance 64排螺旋CT各向同性分辨率0.625mm的薄层扫描技术，基于0.4mm层厚118层人体寰枢椎的连续断层图像，Mimics 9.1软件直接读入Dicom格式原始图像，界定骨组织阈值后软件自动提取各层面轮廓线，每层图像经边缘分割、选择性编辑及补洞处理，去除冗余数据，三维化处理后获得寰枢椎骨骼三维几何模型，保存为ANSYS面网格文件。ANSYS面网格文件可在ANSYS10.0中生成体网格模型。结果：建立寰枢椎骨骼三维有限元几何模型，外型逼真，能够任意角度的旋转及缩放观察，多彩色、透明或任意组合显示，视觉效果较佳，整体清晰、实体感强。通过不同平面的切面可以观察各组件的内部结构关系。对寰枢椎三维几何模型进行三角面片面网格的精度精减后进行高质量网格划分，导入ANSYS有限元软件中转成有限元体网格，选择合适单元类型后，赋予材料性质可进一步加载求解。结论：Philips／Brilliance 64排螺旋CT薄层扫描技术，Dicom 3.0标准的应用使有限元模型的建立更为精确，Mimics软件直接建立人体骨骼结构的有限元几何模型，极大程度提高了建模效率。第二部分“中国数字人男1号”骨骼系统的数字仿真及全身骨骼数据库的初步建立目的：寻求基于“中国数字人男1号”CT断层图像重建人体整体骨骼系统三维数字模型方法，为数字解剖教学、生理模拟、手术计划与培训、有限元分析提供全身骨骼三维数据集。方法：Siemens Somatom Plus 4螺旋CT机对“中国数字人男1号”(Virtual Chinese Human VCH)全身分头部、脖胸部、腹部及上肢、骨盆及手、下肢、膝关节及足7个序列扫描。层间距全部为1.0mm，头部序列像素间距0.441mm，脖胸部序列像素间距0.965mm，腹部以下序列像素间距是0.977mm，全身共1721层。Mimics 10.0软件分别导入每个CT序列Dicom格式的断层二维图像，自动设定原始扫描参数，图像经二次内插值处理，基于骨组织阈值，用半自动交互方法对全身骨组织进行三维重建，每个序列的整体骨骼以STL文件格式导出。在骨盆及手CT序列中导入另6个CT序列的整体骨骼STL文件，用Reposition功能配对，布尔计算后得到“中国数字人男1号”骨骼系统的整体数字模型。对除头颅及手、足以外的骨骼进行标识和分割。分离出的每块骨骼的外轮廓线模型以独立的STL数据文件存档，用不同的颜色显示，初步建立起全身骨骼数据库。结果：建立“中国数字人男1号”骨骼系统全身三维数字模型；实现了单块骨骼的单独与任意组合显示，初步建立全身骨骼系统数据库。重建数字模型的各个组件可输出进一步研究。Mimics软件可以用IGES格式为标准数据格式输出用作CAD(计算机辅助设计)，RP(快速成型)，也可导出面单元或面网格在Ansys、Nastran、Patran、Abaqus等有限元软件中转化成体单元进行FEA(有限元分析)。结论：利用“中国数字人男1号”螺旋CT断层二维图像，Mimics软件基于骨组织阈值，建立了高精度的骨骼系统三维模型。数字模型各个组件可以输出用于计算机辅助设计、快速成型及有限元分析。第三部分腰椎运动节段数字模型的重建及三维可视化研究目的：寻求基于CT断层图像重建腰椎运动节段数字模型及三维可视化的方法。方法：Philips／Brilliance 64排螺旋CT对腰4椎体上缘至腰5椎体下缘沿横断面连续扫描，骨组织窗为扫描条件，像素点距0.365mm，层间距0.5mm，共156层。Mimics10.0软件读入Dicom格式连续断层图像，自动设定CT原始扫描参数，图片经二次内插值处理，界定骨组织阈值，软件自动形成各层面骨组织外轮廓线，行图像边缘分割出腰4-5椎体。图像经编辑、补洞处理，去除无关边缘杂点和冗余数据，经区域增长3D计算建立腰4-5三维几何模型。界定各种软组织阈值，建立纤维环、髓核、上下软骨终板的三维模型。参数化建立6种韧带三维模型。重建数字模型的各部件都可用于有限元分析。以腰5为例作有限元网格优化并导入有限元分析软件进行模型验证。结果：建立腰椎L4-5运动节段三维数字模型，包括两个椎体、皮质骨、松质骨、终板、纤维环、髓核及6种韧带，数字模型可输出用作CAD(计算机辅助设计)，RP(快速成型)及FEA(有限元分析)研究。结论：薄层CT扫描技术，Dicom 3.0标准的应用使数字模型的建立更为精确，Mimics软件建立人体骨骼及软组织各种结构更为方便，并可输出数字模型用于进一步研究。第四部分人工髓核置换的三维有限元模型的建立目的：建立L4／L5腰椎节段PDN～SOLO人工髓核置换的三维有限元模型，为进一步的腰椎生物力学研究提供标准数学模型。方法：健康志愿者及人工髓核置换(PDN-SOLO-7型)患者各一名，Philips／Brilliance 64排螺旋CT扫描获取数据。健康志愿者从腰4椎体上缘至腰5椎体下缘沿横断面连续扫描，扫描条件为骨组织窗，像素间距0.365mm，层间距0.5mm，共156层。人工髓核置换(PDN-SOLO-7型)患者，对腰1椎体上缘至尾骨沿横断面连续扫描，扫描条件为软组织窗，像素间距0.282mm，层间距0.329mm，共735层。扫描数据以Dicom 3.0标准存储。在Mimics 10.11软件中建立L4／L5腰椎运动节段几何模型。按PDN-SOLO-7型水化后假体高度8.5mm，前后径为14.7mm，横径25mm，在Mimics软件中参数化建立PDN-SOLO-7型人工髓核三维几何模型，以STL三角面片文件存档和导出。Mimics软件中模仿腰椎后路椎间盘摘除人工髓核置换术(PPA)用Reposition功能建立人工髓核置换三维有限元几何模型。PDN-SOLO-7型人工髓核假体根据手术设计正位位于椎间隙中央，侧位时位于椎间盘的前、中1／3。Remesh网格重划功能对各组件进行面网格精度锐减和质量优化，输出Ansys面网格文件，在ANSYS PRODUCTS 11.0转化成体单元网格。腰4和腰5体单元网格重新导入Mimics进行材料分配，根据灰度值分成4个区域，分别对应松质骨、皮质骨、椎弓板及椎弓根，根据腰椎经验公式将亨氏单位转化成密度值后分配给相应的体网格，为每一种物质定义弹性模量及泊松比。余组件及PDN-SOLO-7型人工髓核直接定义弹性模量及泊松比。在ANSYS用高级有限元装配技术，建立L4／L5腰椎节段PPA术后三维有限元模型。结果：建立了正常L4／L5运动节段、PDN-SOLO-7型人工髓核、PPA术后三维几何和有限元模型。PPA术后模型分为92516个四面体单元，153963个节点，由腰4、腰5、纤维环、上下终板、7条韧带和人工髓核13个组件构成，由三维10节点SOLID92固体单元模拟。PDN-SOLO-7型人工髓核模型分为3288个单元，5495个节点。L4／L5运动节段骨性结构模型划分为63839个四面体单元，99139个节点。6组韧带包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带和一对横突间韧带。7条韧带分为11669个四面体单元，23857个节点，韧带总表面积7624 mm~2。上下关节突关节面及人工髓核假体与上下终板间处理为三维接触模型，柔性接触、面-面接触单元。结论：通过64排螺旋CT扫描可以获得准确的腰椎几何数据，Mimics通过基于阈值的算法及参数化建模提供精确的模型，利用灰度值精准的赋材质，并可在此基础上建立高仿真脊柱节段及人工髓核置换有限元模型。