[发明专利]一种骨小梁-骨水泥复合体有限元模型构建方法

说明书

本发明涉及一种骨小梁‑骨水泥复合体有限元模型构建方法，方法包括获取骨小梁微观影像数据；在感兴趣区域内重建骨小梁三维结构；对骨小梁三维结构图像中的骨小梁进行打磨光滑处理；利用流体域进行包裹后转换为实体；对流体域进行二维面网格细分，并在细分后对流体域进行三维体网格划分；对骨小梁进行三维体网格划分；以流体域作为骨水泥，获得预设填充深度的骨小梁‑骨水泥复合体，分别给骨水泥、骨小梁网格赋予对应的材料属性及材料参数，设置边界条件、载荷及骨水泥与骨小梁之间的接触类型，得到骨小梁‑骨水泥复合体有限元模型。本发明的方法省略了传统的构建骨小梁‑骨水泥复合体样本的过程，建立的有限元模型精度高，成本低，容易推广。

技术领域

本发明涉及有限元模型构建技术领域，具体涉及一种骨小梁-骨水泥复合体有限元模型构建方法。

背景技术

现有技术中，建立骨小梁-骨水泥界面作用的有限元模型主要包括2种方法：

方法一：1、获取经骨水泥强化固定的人尸体骨，钻取骨小梁-骨水泥复合体样本；2、将骨小梁-骨水泥复合体样本进行Micro-CT扫描，获取影像数据；3、计算机逆向工程，重建骨小梁-骨水泥复合体样本的计算机三维模型；4、划分体网格、赋予材料属性、参数，设置边界条件、载荷，进行有限元力学分析。

方法二：1、获取人尸体骨，钻取骨小梁样本；2、对骨小梁进行骨水泥灌注；3、待骨水泥完全固化后，对骨小梁-骨水泥复合体样本进行Micro-CT扫描；其余步骤与方法1相同。

如图1所示，为在对骨小梁-骨水泥复合体样本进行Micro-CT扫描，得到扫描影像后，构建骨小梁-骨水泥复合体有限元模型的过程示意图。

采用现有技术中的上述方法构建骨小梁-骨水泥复合体有限元模型存在以下缺点：1、获取的经骨水泥强化固定的人尸体骨，骨小梁往往存在不同程度的骨溶解、骨吸收情况，并导致大量孔隙形成，需要在计算机软件进行反向填充，以获取骨小梁-骨水泥完整接触的三维模型，步骤繁杂、耗时巨大。2、骨小梁与骨水泥灰度阈值部分重叠，在计算机软件中分离两者容易造成人为的错误分配。3、经骨水泥强化固定的人尸体骨来源非常有限，且人尸体骨成本高昂，难以推广应用。4、人工灌注骨水泥仍然存在一定数量的孔隙，影响有限元分析的精确度，三维模型仍然需要人工反向填充。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种骨小梁-骨水泥复合体有限元模型构建方法。

本发明提供的骨小梁-骨水泥复合体有限元模型构建方法包括：

获取骨小梁微观影像数据；

在骨小梁微观影像数据中选取感兴趣区域，在感兴趣区域内重建骨小梁三维结构，得到骨小梁三维结构图像；

对骨小梁三维结构图像中的骨小梁进行打磨光滑处理；

根据设置的流体域参数，将打磨光滑后的骨小梁利用流体域进行包裹后转换为实体；

设置网格尺寸，选中流体域，对流体域进行二维面网格细分，并在细分后对流体域进行三维体网格划分；

选中骨小梁，对骨小梁进行三维体网格划分；

对划分后的流体域网格进行部分剪裁、删除，以流体域作为骨水泥，获得预设填充深度的骨小梁-骨水泥复合体，分别给骨小梁-骨水泥复合体中的骨水泥、骨小梁网格赋予对应的材料属性及材料参数，设置边界条件、载荷及骨水泥与骨小梁之间的接触类型，得到骨小梁-骨水泥复合体有限元模型。

进一步的，获取骨小梁微观影像数据包括：

对人体进行高分辨率外周定量CT扫描；

或者，对动物骨骼标本或骨科手术过程中产生的废弃骨标本进行Micro-CT扫描。