[发明专利]一种基于肌肉群的人体髋部建模与仿真方法

摘要

一种基于肌肉群的人体髋部建模与仿真方法，本发明涉及基于肌肉群的人体髋部建模与仿真方法。本发明的目的是为了解决现有的人体髋部模型不能够兼顾细化的人体结构和有限元仿真实现，而提出一种基于肌肉群的人体髋部建模与仿真方法。一、人体髋部图像数据获取；二、人体髋部几何建模，包括髋骨(皮质骨与松质骨)、股骨(皮质骨与松质骨)、关节软骨、缝匠肌、股四头肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、股薄肌、趾骨肌、长收肌、短收肌、大收肌、臀大肌、臀中肌、臀小肌、整个髋部的几何三维重建；三、建立肌肉群模型，对髋骨、股骨、关节软骨、肌肉群、整个髋部实施模型装配，建立脂肪和皮肤模型，添加肌腱；四、确定网格划分参数，确定组织间接触关系，实施几何模型的网格划分；五、为人体髋部模型各部分结构附材质，确定材料参数；六、实现人体髋部模型的力学仿真。本发明用于生物医学工程领域。

主权项

1.一种基于肌肉群的人体髋部建模与仿真方法，其特征在于：一种基于肌肉群的人体髋部建模与仿真方法具体是按照以下步骤进行的：/n步骤一、人体髋部图像数据获取；/n步骤二、在人体髋部图像数据获取的基础上，进行人体髋部几何建模，包括髋骨、股骨、关节软骨、缝匠肌、股四头肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、股薄肌、趾骨肌、长收肌、短收肌、大收肌、臀大肌、臀中肌、臀小肌、整个髋部的几何三维重建；/n步骤三、在人体髋部几何模型基础上，建立肌肉群模型，对髋骨、股骨、关节软骨、肌肉群、整个髋部实施模型装配，建立脂肪和皮肤模型，添加肌腱；/n步骤四、在人体髋部装配模型基础上，确定网格划分参数，确定组织间接触关系，实施几何模型的网格划分；/n步骤五、在人体髋部模型网格划分基础上，为人体髋部模型各部分结构附材质，确定材料参数；/n步骤六、在人体髋部模型附材质的基础上，实现人体髋部模型的力学仿真；/n所述步骤一中人体髋部图像数据获取；具体过程为：/nCT图像扫描参数：轴位连续断层扫描，电压140.0KV，电流180mA，层厚1mm，矩阵512×512，视野FOV 18cm，共采集700张图像；MRI图像扫描参数：轴位扫描，T2加权自旋回波序列，重复时间566.7ms，回波时间10.6ms，矩阵512×512，层厚3mm，视野17cm，共采集182张图像；CT图像数据主要用于骨骼和下肢整体外形结构的建模，MRI图像数据主要用于软组织建模；/n所述步骤二中在人体髋部图像数据获取的基础上，进行人体髋部几何建模，包括髋骨、股骨、关节软骨、缝匠肌、股四头肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、股薄肌、趾骨肌、长收肌、短收肌、大收肌、臀大肌、臀中肌、臀小肌、整个髋部的几何三维重建；具体过程为：/n利用图像数据生成股骨、髋骨和软组织的三维几何模型；首先对医学图像进行图像分割，图像分割按照阈值分割、区域增长、蒙版编辑三个步骤进行；/n通过选择不同的灰度值区间实现目标组织分离就是阈值分割；/n经过初步阈值分割后的蒙板上具有相同灰度值区间的组织同时显示出来，然后对这些具有相同的灰度值区间的不同组织进行进一步的详细分割，去除蒙板中的噪点，从而将相互不连接的单独区域区分开并生成表达之前灰度值区间中的某一组织的新蒙板，经过区域增长实现了相同灰度值区间内不同组织的分离；/n最后对蒙板进行修缘、擦除、补充操作实现蒙板编辑；/n对蒙版编辑过的模型进行光滑处理；/n对编辑过的模型进行三角面片的缩减；/n对模型表面的三角面片进行检测，将检测出的自相交的三角面片和尖状物删除；/n对模型表面的空洞进行填充；/n提取模型的轮廓线；/n完成模型的栅格构造；/n对模型进行曲面拟合最终生成三维几何模型；/n所述步骤三中在人体髋部几何模型基础上，建立肌肉群模型，对髋骨、股骨、关节软骨、肌肉群、整个髋部实施模型装配，建立脂肪和皮肤模型，添加肌腱；具体过程为：/n根据各个肌肉组织的功能将肌肉组织划分为四个肌肉群，分别为：肌肉前群、肌肉后群、肌肉内侧群和肌肉臀部群；肌肉前群包括缝匠肌、股四头肌、股二头肌，主要功能为屈髋伸膝，肌肉后群包括半腱肌、半膜肌、股薄肌、趾骨肌，主要功能为伸髋屈膝，肌肉内侧群包括长收肌、短收肌、大收肌，主要功能为内收外旋髋关节，肌肉臀部群包括臀大肌、臀中肌、臀小肌，主要功能为伸髋关节、外展髋关节；/n将缝匠肌、股四头肌、股二头肌的几何模型合并为肌肉前群模型，对模型表面进行优化处理；/n将半腱肌、半膜肌、股薄肌、趾骨肌的几何模型合并为肌肉后群模型，对模型表面进行优化处理；/n将长收肌、短收肌、大收肌的几何模型合并为肌肉内侧群模型，对模型表面进行优化处理；/n将臀大肌、臀中肌、臀小肌的几何模型合并为肌肉臀部群模型，对模型表面进行优化处理；/n将髋骨、股骨、关节软骨、肌肉前群、肌肉后群、肌肉内侧群、肌肉臀部群的几何模型按照生理学位置实施装配；/n将装配体与整体髋部几何模型进行求差操作，去除装配体，剩下的求差体就是皮肤和脂肪的几何模型；/n将整个髋部几何模型最外面1mm的厚度定义为皮肤模型；/n肌肉与骨骼通过肌腱连接，用线单元来模拟肌腱。/n