本发明涉及计算机辅助仿真技术及骨科科研领域，尤其涉及一种胸腰椎爆裂性骨折仿真模型建立方法及装置。
背景技术：
：颈椎过伸伤是颈椎损伤中常见的一种类型，由于颈椎受到快速的过伸性暴力载荷所导致，占颈椎各类损伤的35％-60％。通常合并不同程度的脊髓损伤，给社会及家庭带来沉重的心理负担和经济压力。颈椎过伸伤患者的年龄分布呈双峰特征，一是由高能量损伤引起的30岁以下患者，二是由低能量损伤引起的合并存在原发性颈椎管狭窄的老年患者。目前对于颈椎过伸伤临床症状与损伤载荷之间的关联有着多种阐述，对于力学损伤机制及病理生理改变等尚无统一的认识。为了更好的指导颈椎过伸伤的临床治疗，明确不同形式过伸暴力载荷下灰质还是白质首先受损，阐述损伤与临床表现的关联，有必要建立颈脊髓仿真模型进行模拟研究。2013年广州中医药大学博士学位论文“仰卧前屈拔伸牵引法治疗伴脊髓压迫csr的机理及临床研究”，选取神经根型颈椎病患者5例，颈椎c1-c7的ct薄层平扫。将ct图片储存并输入mimics10.01软件，生成三维图像。然后运用mimics软件通过不同的灰度值提取颈椎骨骼的轮廓线数据，进而获得颈椎的点云数据，并以stl格式保存，然后将stl格式的数据文件导入geomagicstudio软件中，根据椎体各部分的曲率变化情况划分成多个区域，再将各区域的点云数据进行拟合生成颈椎几何模型，最后以iges格式导入marc2005进行网格划分，并根据不同结构的建模参数建立有限元模型。然而，现有技术中的颈脊髓模型的建立方法，大都忽略了软脊膜的生物力学仿真。发明人意识到，软脑膜在白质周边，起到对颈脊髓内部结构的保护作用，在过伸载荷下，由脑脊液传导来的载荷首先加载在软脑膜上，后传递至由轴突组成的白质以及由神经元组成的灰质，造成损伤。而且软脑膜刚度较灰质白质大，在损伤中有更重要的作用，在建模中不能被忽视。此外，现有技术的建模方法对模型的验证缺乏，精细的验证是模型获得准确计算数据的基础，与文献对照可以为模型的进一步应用提供有力保障。综上所述，亟需建立能够更真实准确地模拟颈脊髓以研究颈椎过伸伤的模型。技术实现要素：本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种颈脊髓仿真模型建立方法及装置，用于解决现有模型解剖结构不完整，验证度和仿真性低的问题。第一方面，本发明提供了一种颈脊髓仿真模型建立方法，包括：步骤s1：获取志愿者的颈脊髓mri数字图像，保存为dicom格式的数据文件；步骤s2：利用医学影像学处理软件，根据脊髓解剖结构，划分颈脊髓灰质与白质边界以及白质与周边的边界；步骤s3：应用有限元建模软件，建立颈脊髓三维有限元模型即所述颈脊髓仿真模型，其中将外层网格拉伸成1mm厚的软脊膜，包裹白质；步骤s4：分别设置灰质、白质以及软脑膜的材料属性。作为本发明的一个优选例，步骤s3为：应用有限元建模软件，生成颈脊髓三维有限元模型的横断面模型，并生成灰质及白质有限元面网格；对面网格轴向拉伸，获得颈脊髓有限元模型；将外层网格拉伸成1mm厚的软脊膜，包裹白质。作为本发明的另一优选例，步骤s3中，各部位节点、单元数量和网格尺寸如下：网格尺寸节点数目单元数目灰质0.4mm×0.4mm×0.6mm1280015473白质0.4mm×0.5mm×0.6mm2976035723软脊膜0.1mm×0.5mm×0.6mm640012962作为本发明的另一优选例，所述灰质、白质以及软脑膜的材料属性如下：。作为本发明的另一优选例，所述的建立方法还包括对所述颈脊髓仿真模型进行验证的步骤。第二方面，本发明提供了如上任一所述建立方法所建立的颈脊髓仿真模型在研究颈椎过伸伤及治疗方法中的用途。第三方面，本发明提供了一种颈脊髓仿真模型的建立装置，包括：图像获取单元，用于获取颈脊髓的数字图像；颈脊髓实体模型生成单元，用于利用所述颈脊髓的数字图像生成颈脊髓横断面实体模型；颈脊髓有限元模型生成单元，用于利用所述颈脊髓横断面实体模型生成颈脊髓三维有限元模型即所述颈脊髓仿真模型，其中将外层网格拉伸成1mm厚的软脊膜，包裹白质；模型参数设定单元，用于对所述颈脊髓仿真模型进行参数设定，所述参数包括材料属性、载荷以及边界条件。作为本发明的一个优选例，所述建立装置还包括计算分析单元，用于对所述颈脊髓仿真模型进行有限元仿真计算，获得所述颈脊髓仿真模型的应力应变云图及刚度数据。作为本发明的另一优选例，所述颈脊髓有限元模型生成单元用于生成颈脊髓三维有限元模型的横断面模型，并生成灰质及白质有限元面网格；对面网格轴向拉伸，获得颈脊髓有限元模型；将外层网格拉伸成1mm厚的软脊膜，包裹白质。作为本发明的另一优选例，所述模型参数设定单元将所述材料属性设置为：。本发明优点在于：本发明的颈脊髓仿真模型建立方法，利用志愿者颈脊髓mri图像，划分颈脊髓灰质与白质界限以及白质与周边的界限，生成颈脊髓横断面模型，后划分有限元网格，生成灰质和白质的体网格，根据解剖结构生成软脑膜有限元模型，最后对所述的颈脊髓三维有限元模型进行参数设置，如材料属性、边界条件、载荷等。由于本发明建立的颈脊髓三维有限元模型包括了灰质、白质和软脊膜，解剖结构完整，且参数设置合理，因此使用该颈脊髓三维有限元模型模拟碰撞试验、研究脊髓损伤机制等，既能够模拟碰撞后的颈脊髓损伤情况，又能够对脊髓的应力分布进行分析，仿真性更高，临床指导意义更强。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1是实施例1公开的一种颈脊髓仿真模型建立方法的流程图。图2为通过实施例1公开的一种颈脊髓仿真模型建立方法所建立的颈脊髓三维有限元模型横断面。图3为计算所得载荷位移曲线与文献中实验数据比对。图4是实施例2公开的另一种颈脊髓仿真模型建立方法的流程图。图5是实施例3公开的一种颈脊髓仿真模型建立装置的结构示意图。具体实施方式下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。实施例1请参见图1，图1是实施例1公开的一种颈脊髓仿真模型建立方法的流程图。所述方法包括以下步骤：步骤s1：获取志愿者的颈脊髓mri数字图像，保存为dicom格式的数据文件。步骤s2：将dicom格式的数据导入医学影像学处理软件simpleware，根据脊髓灰质和白质的解剖结构以及图像上灰度的不同，划分颈脊髓灰质与白质边界以及白质与周边的边界，生成颈脊髓横断面模型，并将边界曲线输出为iges格式文件。步骤s3：将iges格式文件导入有限元建模软件hypermesh，生成颈脊髓的横断面几何模型，通过边界对该横断面进行分割，划分灰质及白质的几何模型；控制网格参数，设置网格密度为2mm，生成有限元面网格；将面网格沿轴向拉伸60mm(代表2个运动单元长度)，获得颈脊髓有限元体网格；将外层网格向外拉伸成1mm厚的软脊膜体网格，对白质进行包裹，生成颈脊髓三维有限元模型。表1各部位节点、单元数量和网格尺寸网格尺寸节点数目单元数目灰质0.4mm×0.4mm×0.6mm1280015473白质0.4mm×0.5mm×0.6mm2976035723软脊膜0.1mm×0.5mm×0.6mm640012962包含灰质、白质及软脑膜的颈脊髓三维有限元模型见图2。步骤s4：导入abaqus软件，分别赋予灰质、白质以及软脑膜的材料属性。表2各部位材料属性步骤s5：将颈髓模型前侧固定，于后侧中部加载0.1n的载荷，获得加载载荷与加载部位的载荷位移曲线，与既往文献mechanicalandneurologicalresponseofcatspinalcordunderstaticloading比对，发现模型载荷位移曲线趋势相同，数值差异较小，验证模型有效性(图3)。步骤s6：根据临床需要设定边界条件及加载载荷，可计算应力应变云图。实施例2请参见图4，图4是实施例2公开的另一种颈脊髓仿真模型建立方法的流程图。所述方法包括以下步骤：步骤s1：获取志愿者的颈脊髓mri数字图像，保存为dicom格式的数据文件。步骤s2：将dicom格式的数据导入医学影像学处理软件simpleware，根据脊髓灰质和白质的解剖结构以及图像上灰度的不同，划分颈脊髓灰质与白质边界以及白质与周边的边界，生成颈脊髓横断面模型，并将边界曲线输出为iges格式文件。步骤s3：将iges格式文件导入有限元建模软件hypermesh，生成颈脊髓的横断面几何模型，通过边界对该横断面进行分割，划分灰质及白质的几何模型；控制网格参数，设置网格密度为2mm，生成有限元面网格；将面网格沿轴向拉伸60mm(代表2个运动单元长度)，获得颈脊髓有限元体网格；将外层网格向外拉伸成1mm厚的软脊膜体网格，对白质进行包裹，生成颈脊髓三维有限元模型。表1各部位节点、单元数量和网格尺寸网格尺寸节点数目单元数目灰质0.4mm×0.4mm×0.6mm1280015473白质0.4mm×0.5mm×0.6mm2976035723软脊膜0.1mm×0.5mm×0.6mm640012962步骤s4：导入abaqus软件，分别赋予灰质、白质以及软脑膜的材料属性。表2各部位材料属性步骤s5：验证模型有效性。实施例3请参见图5，图5是实施例3公开的一种颈脊髓仿真模型建立装置的结构示意图。所述颈脊髓仿真模型建立装置，包括：图像获取单元1，用于获取颈脊髓的数字图像；颈脊髓实体模型生成单元2，用于利用所述颈脊髓的数字图像生成颈脊髓横断面实体模型；颈脊髓有限元模型生成单元3，用于利用所述颈脊髓横断面实体模型生成颈脊髓三维有限元模型；模型参数设定单元4，用于对所述颈脊髓三维有限元模型进行参数设定，所述参数包材料属性、载荷以及边界条件；计算分析单元5，对所述颈脊髓仿真模型进行有限元仿真计算，获得所述颈脊髓仿真模型的应力应变云图及刚度等数据。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种颈脊髓仿真模型建立方法，其特征在于，包括：
步骤s1：获取志愿者的颈脊髓mri数字图像，保存为dicom格式的数据文件；
步骤s2：利用医学影像学处理软件，根据脊髓解剖结构，划分颈脊髓灰质与白质边界以及白质与周边的边界；
步骤s3：应用有限元建模软件，建立颈脊髓三维有限元模型即所述颈脊髓仿真模型，其中将外层网格拉伸成1mm厚的软脊膜，包裹白质；
步骤s4：分别设置灰质、白质以及软脑膜的材料属性。
2.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，步骤s3为：应用有限元建模软件，生成颈脊髓三维有限元模型的横断面模型，并生成灰质及白质有限元面网格；对面网格轴向拉伸，获得颈脊髓有限元模型；将外层网格拉伸成1mm厚的软脊膜，包裹白质。
3.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，步骤s3中，各部位节点、单元数量和网格尺寸如下：
网格尺寸节点数目单元数目
灰质0.4mm×0.4mm×0.6mm1280015473
白质0.4mm×0.5mm×0.6mm2976035723
软脊膜0.1mm×0.5mm×0.6mm640012962
4.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，所述灰质、白质以及软脑膜的材料属性如下：
。
5.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，所述的建立方法还包括对所述颈脊髓仿真模型进行验证的步骤。
6.如权利要求1-5任一所述建立方法所建立的颈脊髓仿真模型在研究颈椎过伸伤及治疗方法中的用途。
7.一种颈脊髓仿真模型的建立装置，其特征在于，包括：
图像获取单元，用于获取颈脊髓的数字图像；
颈脊髓实体模型生成单元，用于利用所述颈脊髓的数字图像生成颈脊髓横断面实体模型；
颈脊髓有限元模型生成单元，用于利用所述颈脊髓横断面实体模型生成颈脊髓三维有限元模型即所述颈脊髓仿真模型，其中将外层网格拉伸成1mm厚的软脊膜，包裹白质；
模型参数设定单元，用于对所述颈脊髓仿真模型进行参数设定，所述参数包括材料属性、载荷以及边界条件。
8.根据权利要求7所述的建立装置，其特征在于，所述建立装置还包括计算分析单元，用于对所述颈脊髓仿真模型进行有限元仿真计算，获得所述颈脊髓仿真模型的应力应变云图及刚度数据。
9.根据权利要求7所述的建立装置，其特征在于，所述颈脊髓有限元模型生成单元用于生成颈脊髓三维有限元模型的横断面模型，并生成灰质及白质有限元面网格；对面网格轴向拉伸，获得颈脊髓有限元模型；将外层网格拉伸成1mm厚的软脊膜，包裹白质。
10.根据权利要求7所述的建立装置，其特征在于，所述模型参数设定单元将所述材料属性设置为：
。
技术总结本发明涉及一种颈脊髓仿真模型建立方法及装置。所述方法为：MIR扫描志愿者颈脊髓图像，获取DICOM数据，导入医学影像处理软件，划分颈脊髓灰质与白质边界以及白质与周边的边界，生成颈脊髓横断面模型，导入有限元建模分析软件生成包括灰质、白质和软脊膜的颈脊髓三维有限元模型，对其进行参数设定。所述装置包括相关单元，用于建立所述颈脊髓仿真模型。本发明建立的颈脊髓三维有限元模型包括了灰质、白质和软脊膜，解剖结构完整，参数设置合理，因此在模拟碰撞试验、研究脊髓损伤机制等情况时，既能够模拟碰撞后的颈脊髓损伤情况，又能够对脊髓的应力分布进行分析，仿真性更高，临床指导意义更强。
技术研发人员：程黎明;朱睿
受保护的技术使用者：上海市同济医院
技术研发日：2018.11.30
技术公布日：2020.06.09
