基于CT数据的股骨三维有限元建模方法

实现一种基于计算机断层成像(CT)数据的股骨三维有限元建模方法,用于生物力学研究。可视人计划(VHP)男性标本的冷冻CT序列图像分割后,用移动立方体算法三维重建股骨几何模型并转换为有限元网格,有限元网格设置各向同性和正交各向异性材料特性建立两个有限元模型,有限元模型施加双腿站立情况的边界条件进行有限元分析。结果表明,这两个股骨有限元模型能很好地和股骨解剖结构相符合。基于CT数据的建模方法可以快速并精确地建立各种骨骼的三维有限元模型。     

6岁儿童股骨有限元模型的建立及股骨颈损伤的仿真分析

基于6岁儿童解剖学结构,对其下肢的CT扫描数据进行三维几何重构,并利用有限元的建模技术建立6岁儿童股骨的三维有限元模型.通过加载弯矩的仿真实验,模拟交通事故中儿童跌倒状态下的股骨受力情况以及所引起的股骨颈骨折.研究结果表明:6岁儿童在交通事故中跌倒瞬时产生较大的股骨与地面接触力,股骨颈外侧应力最大,易出现骨折现象.仿真结果与以往实验结论相符合并与医学结论吻合,从而验证了模型有效.建立的6岁儿童股骨三维有限元模型可以为跌倒所引起的股骨颈骨折损伤生物力学响应提供理论依据.     

近端股骨的非均匀及各向异性有限元模拟

为解决植入假体存在的松动和下沉等并发症,适应个性化内置假体快速自动设计和制造的要求,提出一种在定制型人工髋关节股骨内置假体设计过程中, 基于医用CT和CAD技术,利用有限元力学分析建立近端股骨各向异性力学模型的新方法.该方法利用CT原始图像数据、结合自主开发软件,使股骨三维模型具有原股骨的各向异性与非均匀性, 建立近端股骨接近真实股骨力学性能的三维有限元模型,为真实地模拟和分析近端股骨的结构和材料力学性能,更精确地测定股骨在生理载荷下的应力应变与植入假体后的响应,为定制型人工股骨假体设计提供了生物力学基础,实现人工股骨假体的优化设计创造了很好的条件.     

基于网格的地质断层可视化三维建模方法

文章提出了一种基于三维网格的含断层的地质体建模方法。该方法根据钻孔数据建立三维网格来模拟地层面,依据断层数据来计算断层面方程和断层的断距,最后,结合所得的三维网格数据、断层面方程和断距,通过OpenGL生成模型。该方法能有效降低含断层地质体建模的复杂程度,有较强的适应性,所给实例展示了该方法的实际建模效果。     

基于三维角点网格模型的现今地应力有限元模拟

设计并实现三维角点网格模型的现今地应力有限元模拟方法。利用角点网格, 建立储层三维精细模型。应用网格转换算法, 将网格转换为对应的三维有限元网格模型, 采用有限元法模拟地应力场的分布。采用网格转换逆向方法, 将模型重新采样至对应的角点网格地质模型, 为后续数值模拟等流程提供数据支持, 从而保证流程的连续性和数据的一致性。通过X工区和Y工区两个油田实例数据, 模拟工区应力场分布。对比分析表明, 模拟值与实测值匹配性较好, 证明了方法的准确性和有效性。     

基于数字图像的足部骨骼建模研究

基于足部动力学分析以及足/鞋系统虚拟设计,运用逆向工程技术研究足部骨骼的建模.根据螺旋CT扫描图像,利用图像处理、三维重建和有限元网格划分技术,建立了一个基于人体解剖学结构的足部有限元几何模型.实验表明,通过逆向建模的方法可以完整地建立人体骨骼的有限元模型,为进一步研究足/鞋间压力提供理论依据.     

三维地质界面建模关键算法研究

采用露头,钻孔以及地震等数据进行三维复杂地质界面建模,关键问题包括三维地质界面模型确定方法,地质界面接触关系处理方法。根据区块地质数据建立地质界面三角网格模型,处理地质界面之间复杂位置关系,为三维地质体建模提供约束面,清晰地描述并恢复地下构造。本文就三维复杂地质界面建模中的关键问题,提出基于几何拓扑关系的地质界面三角网格模型生成算法,地质界面空间位置判断算法。在算法中引入几何拓扑关系,降低算法实现的复杂性,增加算法实现效率。     

下颌前牙固定桥基牙及其支持组织的三维有限元模型的建立

目的：建立下颌前牙双端固定桥的三维有限元模型,为分析下颌前牙固定桥的生物力学特征提供数字模型。方法：采用正常人的下颌骨标本,进行CT断层扫描得到包含下颌前牙的35幅图像,通过计算机图形转换软件和3D建模软件获取图像的边界信息,应用ANSYS有限元建模模块处理。建立了包括牙齿、牙周膜和牙槽骨固定桥修复前及修复后的几何模型和三维有限元模型。结果：固定桥修复后。有限元模型包括牙体、牙槽骨、牙周膜在内共41648个节点,27269个单元。结论：CT辅助有限元建模技术能精确建立下颌前牙及其支持组织的三维有限元模型。     

三维地质界面曲面建模关键算法

采用露头,钻孔以及地震等数据进行三维复杂地质界面建模,关键问题包括三维地质界面模型确定方法、地质界面接触关系处理方法。根据区块地质数据建立地质界面三角网格模型,处理地质界面之间复杂位置关系,为三维地质体建模提供约束面,清晰地描述并恢复地下构造。就三维复杂地质界面建模中的关键问题,提出基于几何拓扑关系的地质界面三角网格模型生成算法、地质界面空间位置判断算法。在算法中引入几何拓扑关系,降低算法实现的复杂性,增加算法实现效率。     

基于螺旋CT的人体颅脑三维有限元模型构建

阐述了基于螺旋CT图像构建颅脑三雏有限元模型的过程。首先，对人体颅脑进行CT断层扫描，然后采用CT图像三维重建软件和CAD软件构建轮廓线，用有限元软件ANSYS划分网格，构建了颅脑三维有限元模型，并对该模型进行了验证。此模型包括大脑左右半球、小脑、脑干、大脑镰、小脑幕，是完全真实的人体颅脑三维有限元模型。本模型以精确CT数据为依据，为宇航、交通事故、司法鉴定、创伤判断和临床治疗等提供了可用的颅脑有限元模型。     

基于网格变换技术的9岁儿童C4-C5颈椎有限元模型开发与验证

针对通过手动画高质量网格的传统有限元建模方法存在建模周期长的问题,应用网格变换技术,结合开发的一套自动识别并提取标识点的方法,快速地建立了9岁儿童C4-C5颈椎有限元模型.应用材料缩放的方法,获得了9岁儿童颈部材料参数,并参考尸体试验数据,在拉伸、前屈及后伸工况下对模型进行了验证.结果显示,与全部人工识别并提取标志点的方法相对比,该套取点方法节约了2/3~3/4的时间.开发的有限元模型网格质量高,平均几何模型精度误差是0.46mm.模型仿真输出值与试验值吻合良好,精度达到90%以上.通过该方法开发有限元模型可节省大量的时间,并且模型具有较高的生物逼真度.同时该方法具有较强的适应性,可应用于各类复杂几何的快速有限元建模.     

基于CT图像反求技术的人体股骨头修复建模

提出了一种基于CT图像反求技术的髋关节建模和缺损股骨头修复建模的新方法.利用基于模型的分割方法从人体髋关节CT图像中分别提取股骨和髋臼骨轮廓三维点数据,通过对离散点云数据进行规则化处理、精简、分割等,提取目标区域点云数据,最后利用最小二乘法拟合对因病变而发生塌陷的股骨头表面进行修复重建,恢复其健康状态的球面形态特征.利用两例不同程度的股骨头坏死病例进行修复实验,均得到较精确的修复还原效果.该方法不仅可以很好地重构人体髋关节模型、还原缺损股骨头的原始形态,而且可以推广到其他关节或骨组织,为骨科手术的精确定位和生物力学有限元分析提供了理论模型,并为关节假体的个体化快速制造提供了一种有效的方法.     

基于人体结构断层图像的三维建模与网格剖分优化

建立了基于断层图像的近似于人体真实结构的三维表面模型,并根据曲率优化网格,优化了有限元计算的前处理,以利于临床力学研究。基于Delaunay三角剖分等相关理论,从临床计算机断层、磁共振和可视人切片等二维断层图像提取轮廓散点,按照层结构有序排列的特点,重构三维表面模型。再根据人体真实结构表面曲率的不同,调节和控制网格精度。曲率大的地方细化网格,曲率小的地方稀疏网格。实现了多分辨率建模和自适应剖分。     

基于CT图像的个体化假体反求设计

基于CT图像,采用反求工程(RE)与计算机辅助设计(CAD),研发了一套个体化假体的计算机辅助设计系统.采用本系统,可设计出良好匹配的个体化假体,完全可以用于临床.以髋骨关节反求为实例,对股骨上段做CT断层3 mm扫描,得到CT数据图像,用开发的系统对CT二维图像进行处理,获得骨骼内外轮廓,提取骨骼轮廓数据,重建骨骼三维模型,利用CAD软件solidworks2004设计假体,并模拟植入过程.设计的假体符合髓腔结构并可植入髓腔内.通过研究CT图像的个体化假体反求设计,证明该方法有效可行.     

基于点数据集三维空间曲面三角化算法实现

在地质、医学等科学研究领域中,基于原始数据建立三维空间图像模型的研究具有较高价值;特别在三维地质构造建模中,测量获取的原始数据采用点数据集形式表示。基于点数据构建三维空间曲面三角化网格模型能够很好地还原点数据集所表示的曲面形态和展布,在现有的三角化剖分算法研究的基础上,提出一种基于点数据集三维空间曲面三角化网格模型生成算法;该算法生成的网格模型质量较高,能够较好地描述点集所表示的曲面形态。采用描述地质界面的点数据集进行算法验证与测试,根据边界数据实际情况,生成三维空间曲面三角化模型并更新网格模型边界,效果比较理想。     

参数化啮合斜齿轮三维有限元网格的自动生成

提出了一种参数化啮合斜齿轮三维有限元网格自动生成方法，并编制了相应的计算机程序，只需输入啮合斜齿轮必要的参数，即可自动生成一对啮合斜齿轮的三维有限元网格．对所提出的方法及程序进行了计算机仿真验证．     

随机骨料投放的分层摆放法及有限元坐标的生成

为了提高混凝土细观力学预处理过程中骨料投放效率,提出了一种随机骨料的投放方法。基于混凝土随机骨料生长方式,提出了骨料投放的分层摆放法。采用状态矩阵法的判别准则,判别空间中任意一点与骨料凸多边形/凸多面体的位置关系,实现了二维平面/三维空间有限元网格坐标的生成。结果表明,与现有方法相比,该方法可节省CPU时间,具有极高效率。这为实现大规模数值细观混凝土预处理,提供了有力的工具。     

人体下肢有限元动力学分析模型的建立和验证

为了研究行人碰撞事故中人体下肢的生物力学响应和损伤机理,建立了一个人体下肢有限元模型．模型按人体解剖学结构建立,由髋骨、股骨、胫骨、腓骨、膑骨、足骨、韧带、腱、关节囊以及髋关节、膝关节和踝关节构成．采用了壳单元和线性弹簧-阻尼单元来模拟骨骼和软组织．模型的边界和载荷条件根据汽车行人侧碰撞实验条件确定．通过比较仿真和实验在横向碰撞载荷条件下的剪切、弯曲响应结果,验证了模型的生物逼真度．分析了在不同加载条件下有限元模型的生物力学响应和应力分布,以及与下肢损伤风险的关系．