[發明專利]漏斗胸矯形手術仿真方法

無效

• 申請號: 200910001383.3
• 申請日: 2009-01-05
• 公開（公告）號: CN101488236A
• 公開（公告）日: 2009-07-22
• 發明（設計）人: 史儀凱;王萑;袁小慶;衛延斌;張華
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06T17/40
• 分類號: G06T17/40;A61B17/68;A61B5/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心
• 代理人: 黃毅新

技術領域

本發明涉及一種矯形手術仿真方法，特別是漏斗胸矯形手術仿真方法。

背景技術

漏斗胸是胸骨部分向內凹陷，相鄰肋軟骨也隨其凹陷，外觀呈漏斗的先天性胸廓畸形。

公知的畸形胸骨矯正手術為Nuss微創矯形手術，對象多為肋軟骨尚未鈣化的幼兒。術前對患兒胸骨凹陷程度進行診斷，確定其漏斗胸指數，根據醫師經驗選擇合適的支撐板，將其彎曲到一定程度，在胸腔鏡下通過微創手術植入患者體內，將畸形的肋軟骨抬起。

Nuss手術存在以下幾個不足：(1)支撐板的固定位置主要依賴醫生的臨床經驗，沒有科學、精確的分析系統進行輔助定位，從而導致部分患兒在術后因胸廓受力擠壓產生支撐板移位，引起心臟和大血管的損傷；(2)不同的患兒其漏斗胸凹陷程度不同，使用不同形狀的支撐板，其受力方向和大小也千差萬別。若只憑醫師經驗，易導致胸腔內臟器受壓，產生并發癥；(3)一次手術成功率約70～90％，手術失敗則必須進行二次手術，加大了患者與其家屬的痛苦和經濟負擔。

發明內容

為了克服現有技術手術成功率低的不足，本發明提供一種漏斗胸矯形手術仿真方法，針對漏斗胸胸廓的3D可視化模型，采用有限元法對胸骨、肋軟骨、肋骨進行應力、應變、位移分析與仿真，可以提高漏斗胸手術的成功率。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案：一種漏斗胸矯形手術仿真方法，其特點是包括以下步驟：

(a)對漏斗胸肋骨/胸骨模型與肋軟骨模型分別進行三角形面網格劃分，得到漏斗胸肋骨/胸骨與肋軟骨的三維網格模型；

(b)對模型中的三角形進行檢測，若劣等三角形數量超過總數的0.05％時，進行網格優化；在骨骼平滑區域，增大三角形單元尺寸，減少網格數量；在骨骼尖銳區域，減小三角形單元尺寸，增加網格數量；

(c)對優化后的面網格模型沿其劃分的邊界線，深入模型內部進行劃分，通過分割實體和布置種子來控制單元的密度和位置，將三角形單元轉變為四面體單元，將面網格模型轉換為體網格模型；

(d)對每個體網格元素計算灰度值，并確定相應的材料力學參數，即為模型中的肋骨、胸骨、肋軟骨賦值；

肋骨、胸骨、肋軟骨對應的骨骼密度是：D＝1.122×HU+47式中，HU是模型中肋骨、胸骨、肋軟骨的灰度值；其彈性模量是：E＝2.20×D-209；(e)將肋骨/胸骨模型與肋軟骨模型進行裝配，得到一個完整的漏斗胸胸廓三維力學模型；

(f)對漏斗胸胸廓三維力學模型施加邊界條件和約束條件，將每個胸椎表面所有節點的自由度施加位移約束使其固定不動，對胸部凹陷部分施加向外垂直載荷，用以模擬手術中支撐板植入幼兒胸廓的情況，載荷類型取集中力，通過有限元分析，獲得漏斗胸三維力學模型在靜態載荷下的應力、應變與位移的分布；

(g)根據不同靜態載荷下胸廓模型的應力、應變與位移分布，研究手術切口位置、支撐板材料、固定方法以及支撐力矩，仿真植入支撐板后，肋骨、肋軟骨、胸骨及支撐板的受力情況及術后效果，輔助醫師為漏斗胸患兒確定手術方案。

本發明的有益效果是：本發明針對漏斗胸胸廓的3D可視化模型，采用有限元法對胸骨、肋軟骨、肋骨進行應力、應變、位移分析與仿真，漏斗胸手術的成功率由現有技術的70～90％提高到98％以上。

下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。

附圖說明

圖1是本發明漏斗胸矯形手術仿真方法流程圖。

圖2是本發明漏斗胸矯形手術仿真方法所用漏斗胸肋骨/胸骨三維網格模型。

圖3是本發明漏斗胸矯形手術仿真方法所用漏斗胸肋軟骨三維網格模型。

圖4是圖2中胸骨模型網格優化后的局部放大圖。

圖5是圖2與圖3模型裝配后的示意圖。

圖6是對圖5所示模型施加200N載荷時模型的應力圖。

圖7是對圖5所示模型施加400N載荷時模型的應力圖。

圖8是對圖5所示模型施加200N載荷時模型的應變圖。

圖9是對圖5所示模型施加400N載荷時模型的應變圖。

圖10是對圖5所示模型施加200N載荷時模型的位移圖。

圖11是對圖5所示模型施加400N載荷時模型的位移圖。

具體實施方式