摘 要

本文首先借助医学三维重建软件Mimics对人体脊椎进行三维重建，然后借助大型通用有限元分析软件Ansys，对三维脊椎模型进行有限元法分析，模拟正常人站立时脊椎椎体的实际受力情况。对分析结果进行讨论，为关于脊椎方面的医学及医疗研究提供相关的理论支持。

论文主要研究了脊椎的三维重建方法和有限元法分析的手段。

研究结果表明：采用图像分隔法建立的三维脊椎模型精度较高；有限元分析结果表明，人体脊椎在正常情况下产生的形变较小，所受应力也较小。

本文的特色：在重建完成的脊椎模型中加入了椎间盘组织，完善了脊椎模型，提高了有限元分析的准确性。

关键词：脊椎；三维重建；有限元分析

ABSTRACT

This article first uses the medical three-dimensional reconstruction software Mimics to carry on the three-dimensional reconstruction to the human body spine, and then uses the large general-purpose finite element analysis software Ansys to analyze the three-dimensional spine model in the finite element method to simulate the actual force of the vertebral body when the normal person was standing. Discuss the results of the analysis and provide relevant theoretical support for medical and medical research on the spine.

The paper mainly studies the three-dimensional reconstruction method of spine and the means of finite element analysis.

The results show that the three-dimensional spine model established by image separation method has high accuracy, and the deformation of the human spine under normal circumstances is small and the stress is small.

The characteristics of this paper: in the reconstruction of the spine model to complete the intervertebral disc tissue, improve the spine model, improve the accuracy of finite element analysis.

Key Words： spine; three-dimensional reconstruction; finite element analysis

目录

第一章 绪论 1

1.1 国内外发展现状 1

1.2 研究背景与研究意义 1

1.3 论文研究内容及其结构 2

第二章 人体脊椎椎体三维重建及原理 3

2.1 Mimics软件介绍 3

2.2 连续断层图像输入 3

2.2.1 自动导入DICOM格式图像 3

2.2.2 灰度值及调整 4

2.3 图像分隔 4

2.3.1 图像分隔的特点 4

2.3.2 图像分隔的工具 5

2.3.3 完成图像分隔 8

2.4 三维重建 8

2.5 添加椎间盘 9

第三章 基于Ansys有限元法分析 13

3.1 有限元法的基本思想 13

3.2 Ansys软件介绍 13

3.3 人体脊椎有限元分析 14

3.3.1 有限元模型的建立 14

3.3.2 加载与求解 16

3.3.3 浏览分析结果 17

第四章 总结与展望 19

4.1 工作总结 19

4.2 工作展望 19

参考文献 20

致谢 22

第一章 绪论

1.1 国内外发展现状

在现代医学的不断发展下，人类身上的各种疾病都得到了有效的治疗，然而脊椎疾病一直是人类面临的最常见的疾病之一，我国每年因脊椎疾病造成的住院治疗人数居高不下。脊椎疾病的危害非常大，不仅影响人类的正常活动，还会有诸多严重的并发症，最坏的结果甚至有可能会导致病人的终身瘫痪，所以对脊椎疾病的治疗和研究是十分有必要性的。传统的治疗脊椎疾病的方法是保守治疗，即非手术法，但这种治疗方法治疗周期长，疗效慢，且不易于彻底治愈疾病。如果病情比较严重的话，则会采取手术治疗的方案。手术治疗虽然可以解决一些问题，但由于人体脊椎结构十分复杂，一般来说，手术难度非常大，手术效果难以预测。如果能够提前模拟手术进行，这一切将会变得不同，手术效果和成功率将无疑会有一个明显的提升。因此，追求脊椎手术虚拟化和导航化是所有人的共同目标^[1]。

随着医学图像技术的不断发展，计算机图形处理和医学可视化为脊椎手术的精准定位和手术虚拟化供应了强有力的支撑^[2]。利用不断发展的可视化技术，脊椎模型的精度也在不断的提升，为手术模拟化和导航化打下了坚实的基础。但就总体状况而言，目前的手术虚拟化和导航化还无法满足治疗脊椎疾病临床的标准。

自从1975年人们第一次尝试将有限元法应用于人体脊柱三维重建起，有限元法在脊椎椎体方面的研究从来没有中断过^[3]。近年来，随着医学可视化的迅速发展，对人体脊椎精准三维模型采用有限元法分析变得越来越频繁。模拟分析脊椎在不同弯曲情况下的位移和所受应力情况，比较不同年龄段的脊椎在受到相同载荷情况下位移和应力的不同以及比较正常脊椎与病变脊椎的不同等研究成果，为对脊椎及对脊椎疾病的研究提供了丰富的理论依据^[4]。

1.2 研究背景与研究意义

信息科技和计算机技术的高速发展，为人们带来了信息社会。与此同时，“数字”作为一个形容词，出现的频率与日俱增，例如，“数字计算机”、“数字化管理”、“数字制造”等等^[5]。在数字化浪潮下，人们的思维习惯和行为方式正在逐渐产生着变化^[6]。当然，医学也不例外，“数字医学”的概念近年来也越来越被提及。虽然“数字医学”的概念出现的较晚，但这并不意味着医学和计算机结合的时间晚，相反，计算机的使用很早就开始应用于医学领域，为医学的发展作出了巨大的作用。

“数字医学”这一概念最早是由美国哈佛大学医学院的华纳·V·斯莱克教授提出^[7]，他也理所应当的被称为这一领域的先行者，在他的许多著作中，都洋溢着他对医学与计算机信息技术结合的热情。顾名思义，“数字医学”就是将计算机数字技术与医学相结合，然而将这两个看似毫不相关的学科交叉结合在一起谈何容易。这时就需要一座桥梁，将二者联系起来。在人体脊椎椎体三维重建及后处理领域，Mimics软件和Ansys软件的应用，在某种程度上可以说是起到了连接数字技术和医学之间的桥梁的作用。