[发明专利]基于完整的人头颅进行有限元建模的方法

说明书

技术领域

本发明涉及医学研究建模领域，具体为基于完整的人头颅进行有限元建模的方法。

背景技术

有限元分析是一种数学方法，它将复杂的物体分解离散成许多简单而又相互作用的单元，然后分析每个单元的情况，并对总体进行求解，利用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，以此来实现对复杂的真实物理系统的几何或载荷工况进行模拟分析。在进行有限元分析前，必须将物理模型进行一定的前处理，使其分解离散，该步骤称之为有限元建模，它是后期对模型进行模拟分析的前提，建模质量的高低决定了模拟分析的误差大小。

目前医学研究上完成了的有类似的有限元建模，它是通过CT扫描将人的颅骨图像导入医学影像控制软件Mimics中，通过软件附带的阈值分割功能，确定骨组织边界与范围。再通过磁共振检查获取软组织影像资料，同样将影像资料导入Mimics软件中，阈值分割确定软组织边界范围。再通过人工手动选择几处面部解剖轮廓点，凭借这些轮廓点将骨组织与皮肤、皮下组织的影像进行融合，最后通过Mimics软件自带的网格划分功能，将融合影像导出，获取了人的头颅三维有限元模型。

该模型虽然建立了人的头颅有限元模型，但仍存在较大缺陷：

1.模型精度太低：通过人工手动辩识解剖轮廓点，误差较大，面部软组织容易因体位变化而变化，因而融合获得的图像本身精度就会受到影响，从而导致建立的有限元模型精度降低。

2.难以用于计算模拟：由于Mimics软件自带的网格划分功能实际处理出的是三角形面片网格，与一般有限元分析要求的六面体体网格差距较大，无法完成精确的生物力学分析，达不到科学研究的目的。

本发明涉及到的相关名词解释：

FEA：有限元分析，FiniteElementAnalysis。

Mimics：Mimics是Materialise公司开发的一款的交互式的医学影像控制系统软件。

GeomagicStudio：GeomagicStudio是Geomagic公司产品的一款逆向软件，可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型。

SolidWorks：SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点。

Hypermesh：Hypermesh软件是美国Altair公司的产品，是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台。

NURBS曲线：Non-UniformRationalB-Splines,中文名为非均匀有理B样条曲线，NURBS是一种非常优秀的建模方式，在高级三维软件当中都支持这种建模方式。NURBS能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度，从而能够创建出更逼真、生动的造型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于完整的人头颅进行有限元建模的方法，解决现有的有限元建模方法的模拟精度太低且难以用计算机模拟的问题。

为了解决以上问题，本发明采用的技术方案如下，一种基于完整的人头颅进行有限元建模的方法，包括以下步骤：

S1：进行头颅CT扫描，并将所得数据以DICOM格式导出，获得DICOM格式的CT原始数据；

S2.将获得的数据导入医学影像控制软件中，针对骨组织、皮下软组织、皮肤、不同的灰度值进行图像分割，并分别进行三维重建，并将结果以特定格式文件导出；

S3、将导出的特定格式的文件导入三维设计软件中，将二维影像转换成CAD三维实体模型；

S4、将建好的模型在三维CAD系统控制软件中装配，按照实际尺寸进行缩放组装，并保存为特定格式文件；

S5、将CAD三维实体模型的特定格式文件导入网格划分前处理软件中，进行体网格—六面体单元的剖分，手动调整在不规则曲面上的网格精度,最终获得人头颅三维有限元模型。

作为优选：S2所述的图像分割阈值分割值如下：骨组织阈值分割值T1＝316，T2＝3071；软组织阈值分割值T1＝-243,T2＝264；皮肤阈值分割值T1＝-243，T2＝231。

作为优选：S3具体如下：将导出的特定格式的文件导入三维设计软件中，利用网格修复命令对畸形网格进行修复，并消除掉多余的几何点、面；将修复好的面网格在曲面计算命令中运行，得到三维实体表面的初步模型并进行进一步修复，修补表面缝隙以及曲面，使用消除特征以及填充小孔命令，生成NURBS曲面；根据NURBS曲面创建CAD三维实体模型。