【摘要】

目的 根据逆向工程的原理以及有限元方法,探索利用人头颅CT图像数据,建立人眼眶骨的三维有限元模型的方法。

方法 利用CT对健康人头颅进行扫描,得到颅骨组织的断层图像资料,保存为DICOM标准文件格式后,利用Mimics软件自动处理并结合人工描绘将数据进行处理,建立单侧人眼眶骨的三维数字模型,然后导入逆向工程软件GeomagicStudio对Mimics生成的模型进一步处理,包括光顺、打磨、生成曲面等操作,在UG软件中对曲面重建实体模型,最后应用Hypermesh和ANSYS软件对几何模型进行有限元网格划分和材料赋值,最终生成人眼眶三维有限元模型,并检验其准确性。

结果 成功建立了由10000个单元和2885个节点组成的右侧人眶骨三维有限元模型。

结论 利用螺旋CT技术并联合使用Mimics软件,逆向工程与有限元软件构建的眼眶三维有限元模型,忠实于人体解剖数据,有较高的准确性,能够满足眼眶骨折生物力学分析的需要,为进一步进行眼眶骨折有限元分析研究提供了有效的而快速的建模平台。

头面部遭受严重暴力时发生的眼眶骨折，是临床常见的眼外伤。爆裂性眶壁骨折多表现为眶底或眶内壁的骨折，关于这种骨折的发生机制一直存在争论。国内外学者开展了一系列生物力学的实验研究，试图解释这种损伤的发生过程与所受的外力大小和损伤部位的相关性。近年来，在生物力学领域 ，以有限元分析 为代表 的仿真实验提高 了力学实验 的可重 复性和精确性 ，并 降低 了成本 。本研究的 目的是探索基于 CT 影像 ，并利用逆 向工程软件建立符合人 眶骨解剖结构 的有 限元模型 的方法，为II II骨折 的生物力学研究提供有效的虚拟实验工具 。像243张；分辨率为512×512像素(图1)。

数据输出并刻盘保存成DICOM(DigitalIm agingandCommu—nicati on sinMedicine)格式。1．2．2在Mimics中原始图像的处理和初始三维图像的生成将数据信息存人计算机并将不同序列的数据导入Mimics11．0软件。首先调整影像阈值功能中的灰度值范围，使骨骼与其周围组织分开。自动标记灰度值在选定范围内的图像。利用擦除和填充功能将图像中软组织与空腔部分的灰质清除。通过计算轮廓线功能，绘出标记部分的多边形轮廓线。根据CT图像调整标记部分，逐层删除位于其他部位具有和骨骼相同灰度值的组织处的标记，并手工补全骨骼中未被标记部分。用分割面罩功能将眼眶骨组织与其余颅骨分开。根据调整好的标记与轮廓线，利用三维计算功能得到眼眶骨的三维图像(图2)。

最后利用平滑功能减少三角片数目并提高三角片质量。上述三维模型是由许多三角形组成的表面轮廓，并非真正的实体模型，且模型较粗糙。最后将Mimics组建的三维模型导出为Point格式点云图像。

1.2.3利用Geomagic Studio对眼眶模型修整

将眶骨三维点云图像文件导入逆向工程软件Geomagic Studio 9中，得到完整的眼眶点云图，除去图中的噪声，删除远离主要表面的小三角形，可以看出模型外轮廓面存在一些不连续面(如破洞)，使用命令进行修补，并进行平滑处理。在确保模型本来形状的情况下，删去一些自我交叉的面，形成新的三角形。重复上面的操作，最终得到图3所示的模型图像。

将修整后的片体模型转换为非均匀有理B样条(non-uniformrationalB—spIines，NURBS)曲面。由此获得三维曲面模型。

1.2.4 利用UG建立眼眶实体模型

由上述所获眶骨样条曲面模型，我们可以使用UGNX2.0方便得到眼眶的几何三维模型。将眼眶的NURBS曲面导入UG中，应用UG的实体建模模块立眼眶的几何三维实体模型。

1.2.5利用Hypermesh对眶骨划分有限元网格

将由UG建立的人眶骨几何三维模型导入Hypermesh8.0中对眼眶进行有限元网格划分。由于眼眶模型有复杂的曲面，属于不规则几何体，所以对眼眶模型进行一定的分割，并采用四面体和六面体杂合单元对眼眶划分网格。取单元长度为0.1mm对眼眶自适应划分网格，然后计算并消除模型各部分间的共同节点。经划分，该眼眶模型共产生2885个节点，生成10000个单元。

1.2.6利用ANSYS建立三维有限元模型

将Hypermesh分好有限元网格的实体模型导入ANSYS11.0中，根据材质建立眼眶实体模型。本文将眶骨简化为连续、均匀和各向同性的线弹性材料。然后对模型进行材质分配。本模型的单元类型为Solid 45，弹性模量为13.7×109Pa，泊松比为0.35，骨密度为1.23g·cm-3

1.2.7有限元模型的验证

在ANSYS Workbench模块中利用测量工具测量眶骨有限元模型的各项几何参数，与正常人体解剖参数比较。

2结果

2．1三维实体模型

经过渲染的三维实体模型外形逼真，可任意进行旋转、缩放等操作，较好的显示了眶骨的四壁，骨面较平整光滑，无组织缺失(图4)。

可清晰分辨视神经孔、眶上裂、眶下裂、泪囊窝等结构，符合人体正常解剖特性。

2．2三维有限元模型

本试验建立的眶骨有限元模型数据中，右侧眶骨有限元模型数据包括10000个单元，2885个节点。模型网格划分合理，解剖结构清晰，经验证符合三维有限元模型的要求，适合作为进一步力学分析的虚拟物理标本(图5)。

3讨论

3．1建立人眶骨三维有限元模型意义

爆裂性眶壁骨折是指直径大于眶口的暴力作用于眼眶，使眶内压急剧增高，通过力学传导使薄弱部分发生的骨折，常使眶内软组织通过骨折处嵌入副鼻窦内。多年来，流体压力增加学说、眶壁屈曲学说及球壁碰撞学说试图解释爆裂性眼眶骨折的形成机制目前，大多数相关的研究使用传统的生物力学方法对尸体或者动物进行外力加载和破坏实验，易受实验方法、仪器设备和人为因素干扰，而且重复性差，耗费的人力物力巨大；动物和尸体与生理状态下的人体有很大区别；动物标本由于伦理学因素而受到越来越多的限制。因此，眶壁骨折相关的生物力学研究有待进一步探索和发展。

有限元分析是一种计算力学的新方法，最初应用在工程科学中，解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。它可以解决传统方法无法求解的、具有复杂形状的人体结构的生物力学问题，不仅能建立逼真的模型，而且可对模型进行不同实验条件下的力学仿真分析。计算机可根据需要产生无数个不同的标本，同一标本在计算中可进行无数次加载或组合而不被损坏，标本也可进行修改以模拟病理状态，降低了成本，保证了结果的可重复性。这种虚拟实验方法适用于眼外伤产生机制的研究。在国外，Uchio等初步建立了眼球的三维有限元模型，并研究眼球异物伤过程中的力学效应，进一步证明汽车安全气囊的碰撞对放射状角膜切开术、准分子激光原位磨镶术等术后眼严重的损害，并分析了气囊释放的速度和术式、切口数量对眼球破裂耐受性的影响。

Hansen等研究表明老年人晶状体硬度增加在驾驶中受到外伤的风险大大增加。Cirovic等建立了包括眼眶、眼外肌、视神经在内的眼部组织模型，研究了拳击伤所致视神经挫伤和撕脱伤的发病机制。目前国内有关眼外伤相关仿真实验研究的报道尚少。本研究基于医学影像数据首次建立了精细的、符合人眶骨解剖的三维有限元模型，为下一步进行眶壁骨折的有限元仿真分析奠定了良好的基础。

未来的研究将对眶壁骨折的临床分类与诊断有重要的指导作用，并有助于眶内填充物的合理设计，也为国内眼外伤发病学的研究提供了新思路。其进一步的成果有可能在工业上提高眼外伤防护措施测试的技术手段，有利于加强高危人群对眼外伤的预防。

3．2建模方案

眶骨是颅骨的一部分，由7块骨组成，基本结构是底朝外的四棱锥体，内、外、下壁均较薄，内壁又称为“纸板”，眼眶中包括眶上裂、眶下裂、视神经孔、泪囊窝等结构，在骨骼中属于比较复杂、结构也比较独特的一部分，相对于常见的股骨、盆骨等部位，重建比较困难。AI-Sukhun等2005年基于CT眶骨的灰度值分割建立了人眼眶的有限元模型，但三维模型被较深度简化，眶骨被简化为规则的锥形。为了避免有价值的数据丢失，我们利用薄层扫描CT采集真实的中国人眶骨医学图像，通过一些专业软件辅助下的图像处理手段，适当结合解剖知识手工加工数据，成功建立了人眶骨的三维模型。

本方法建立模型的一些特点：利用薄层高分辨率扫描技术(层厚0．35ram)获得更为精确的断层影像；直接用医学影像专业软件Mimics读取原始数据，减少人为因素影响，减少了工作量并避免原始数据的丢失，提高了建模效率；利用逆向工程软件强大而快捷的功能将导出的数据拟合成模型的外表面，并通过对生成的小三角面进行处理生成比较规则的表面，当我们将这些规则的外表面导入UG里面生成体时很方便，并极大地降低计算机在不规则体内生成网格的难度，从而很大程度上减少了计算量，提高了计算精度和速度；利用UG软件把规则的NURBS曲面缝合成完整的实体，提高了有限元划分网格的准确性；发挥了Hypermesh强大的自适应划分网格功能，使模型极不规则的部位划分网格成功。

本方法研究的是一个通用的建模过程，不单在建立眶骨三维模型时适用，而且适用于建立人体其他部位的有限元模型，提供了一种多软件集合解决复杂几何模型建模的解决方案。眶骨三维有限元模型的建立成功创造了一些虚拟物理标本，目的是通过对虚拟标本加载外力和破坏，研究眼眶骨折发生的生物力学机制。下一步工作将围绕眶内软组织三维模型的建立，及其与眶骨三维有限元模型的耦合进行，建立完整的眼眶和眼组织模型，使之与生理情况下人体组织的力学特性吻合，为眼眶骨折的生物力学有限元分析提供平台。