Mimics 14.0软件在胫骨螺钉外固定架模型建立的初步应用

郑 轶，尹庆水，王智运，马立敏

（1.南方医科大学研究生学院 510515；2.广州军区广州总医院骨科医院 510010）

四肢骨折是临床常见的疾病，在所有的战伤中，双下肢损伤占1／4［1］。而胫骨的开放性骨折在战争中或者大型突发事件中发生率高。外固定器是治疗胫骨开放性骨折的有效方法之一［2－3］。常用的外固定器质量重，结构较为复杂，操作繁琐，不易大规模应用于突发事件中。本文旨在通过利用Mimics 14.0软件，利用胫骨、螺钉CT扫描数据，初步建立胫骨、外固定器螺钉装配体，为后续的不同材质螺钉的赋值，通过运用Abaqus、Ansys等大型有限元分析软件分析不同材料的螺钉的稳定性，从而筛选出适宜战场和大型突发灾害导致胫骨开放性骨折的外固定螺钉的材料，提高保肢率。

1 材料与方法

1.1 材料 CT图像：选择1名21岁的健康男性志愿者，身高172cm，体质量68kg。经X线检查排除骨质疏松等器质性病变，签署知情同意书，对胫骨行0.625mm层厚的连续扫描，得到DICOM格式的图片1 000张。选取胫骨平台下5cm开始的胫骨干图片60张导入Mimics 14.0软件。

1.2 仪器设备 采用美国GE公司生产的双源电子计算机断层扫描装置（CT）获得基本数据，扫描参数：扫描层厚为0.625 mm，120kV。电脑的基本配置：CPU主频为2.53GHz，内存为2.00GB，软件为 Mimics 14.0软件（试用版）（Materialise，Belgium），Abaqus／CAE6.11（Simulia，USA）。

1.3 三维模型建立 将CT扫描数据（DICOM格式）导入Mimics 14.0软件中，根据骨组织的CT值设定灰度阈值（226～1 852），通过蒙板编辑，应用空腔填充等方法逐层对扫描图像进行填充（图1A，1B）。应用 Mimics 14.0软件的高精度三维模型的计算功能建立胫骨的三维模型。通过对模型的光顺、缩减三角面片及包裹等功能进一步完善胫骨模型（图1C）。

1.4 模拟手术置钉 选择临床上常用的胫骨外固定器螺钉（直径5mm，长度12cm），进行螺旋CT扫描，扫描的条件同上。将其导出为STL文件，导入胫骨三维模型运用模拟手术模块进行模拟置钉（图1D），通过透视观察确定螺钉的精确位置（图1E）。

1.5 网格划分及组装 利用Mimics 14.0软件自带的3－matic 6.0软件进行网格划分、组装及体网格的划分。将胫骨的三维模型和螺钉的STL文件导入Mimics 14.0软件的Remesh模块，装配胫骨螺钉组合体，利用 Auto－mesh、Quality reserve、Growth control等进一步优化网格，无法自动修正的网格用手工方法进行修改以达到有限元分析的要求（图2A，2B）。运用3－matic 6.0自带创建体网格的方法对复合体进行体网格的划分，可以选择tet4或者tet10。转化为体网格无缝接口可输出STL文件，lis文件（Ansys），inp文件（Abaqus）等供不同有限元文件分析。

1.6 赋值并导入Abaqus 利用Mimics 14.0软件FEA模块中的Material功能对胫骨螺钉组合体赋质。经过自动分析计算灰度值对胫骨赋值，也可以通过查表赋值等方法对材料赋值（图2C）。将文件输出为有限元软件需要的格式（inp）导入Abaqus软件做进一步分析（图2D，2E）。

图1 三维模型建立主要步骤

图2 网格划分、赋值及导入有限元分析软件

2 结 果

2.1 胫骨螺钉装配体三维模型的建立结果 胫骨模型的面积为5 844.53mm2，体积为32 594.19mm3，共有4 744个三角面片构成，创建582 750个单元，螺钉的体积3 302.18mm3，面积2 289.59mm2，共有4 362个三角面片，创建11 868个单元。

2.2 赋材质的结果 运用Mimics 14.0软件中FEA模块中的材料赋值功能，根据灰度值计算等方法分别对胫骨进行材料属性赋值（表1）和螺钉的赋值。

表1 胫骨材料属性赋值

续表1 胫骨材料属性赋值

3 讨 论

有限元法（finite element method）是机械工程中用来分析结构应力应变的一种数值算法。通过有限元计算，可以显示结构应力应变和位移分布，使设计者了解结构的力学特性，发现结构强度或刚度的薄弱点，从而方便改进和优化［4－5］。有限元分析方法，为骨科临床植入物的设计提供精确的计算机模拟方法［6］。而有限元分析的基础是良好的三维模型及优良的网格划分。而Mimics 14.0软件在模型的三维重建方面具有不可比拟的优势，其导入的格式多，转化、编辑三维模型的速度快，质量高［7－8］。而从 Mimics 14.0之后的版本又增加划分体网格的功能，避免借助第三方软件划分体网格。整合的模型经过赋值可直接导入有限元分析软件进行有限元分析。而Mimics 14.0的优势自动保存的速度和原来相比提高了90%，实现医学图像到实体IGES文件的无缝式工作流程，简化逆向工程，与有限元软件实现无缝连接［9］。

当前骨科学对四肢骨折固定和愈合方面的观点已经发生转变：（1）直接复位转变为间接复位。（2）加压固定转变成桥式固定。（3）绝对稳定转变为相对稳定。（4）直接愈合转变为间接愈合。观念转变的原因在于骨折部位的血运保护日益重视，通过坚固固定结合弹性固定，骨折断端不断应力刺激，促进内外骨痂形成，使骨折牢固愈合，降低骨不连等各种并发症的产生［10］。

胫骨前内侧软组织薄弱，易形成开放性损伤。简易外固定器恰好符合这种观念的转变，骨外固定器为骨折提供稳定框架并保护软组织，不影响邻近节段关节的活动，通过应力刺激达到骨性愈合，而且便于伤口的处理，防止软组织的挛缩［11－12］。但是，常用的外固定器质重，操作较为繁琐，不易携带，无法满足大量救治伤员的需要［13］。本文的研究目的旨在建立胫骨螺钉的有限元三维模型，通过赋值胫骨、螺钉来验证赋值不同材质螺钉的可行性，为进一步有限元分析奠定基础，从而遴选出不影响生物力学即时稳定性、质轻价廉、易于携带的新型材料，从而为外固定在特殊条件下的大规模应用提供条件。

Mimics 14.0软件的优势在于三维模型的建立和材料的赋值，而网格也可以通过其他的方法（Hypermesh软件等）进行划分；而螺钉的设计可以通过CAD软件如Pro／E、Solidworks等绘制进一步优化模型，提高分析的准确率。在实际工作中必须结合动物实验或者临床观察，多方面结合才能研究出科学的骨科外固定器材［14－15］。

［1］ Bluman EM，Ficke JR，Covey DC.War wounds of the foot and ankle：causes，characteristics，and initial management［J］.Foot Ankle Clin，2010，15（1）：1－21.

［2］ Matsuura M，Lounici S，Inoue N，et al.Assessment of external fixator reusability using load－and cycle－dependent tests［J］.Clin Orthop Relat Res，2003（406）：275－281.

［3］ Agarwal S，Agarwal R，Jain UK，et al.Management of soft－tissue problems in leg trauma in conjunction with application of the Ilizarov fixator assembly［J］.Plast Reconstr Surg，2001，107（7）：1732－1738.

［4］ Quenneville CE，Dunning CE.Development of a finite element model of the tibia for short－Duration high－force axial impact loading［J］.ComputMethodsBiomech Biomed Engin，2011，14（2）：205－212.

［5］ Gray HA，Zavatsky AB，Taddei F，et al.Experimental validation of a finite element model of a composite tibia［J］.Proc Inst Mech Eng H，2007，221（3）：315－324.

［6］ Lei T，Xie L，Tu W，et al.Development of a finite element model for blast injuries to the pig mandible and a preliminary biomechanical analysis［J］.J Trauma Acute Care Surg，2012，73（4）：902－907.

［7］ Vilayphiou N，Boutroy S，Szulc P，et al.Finite element analysis performed on radius and tibia HR－pQCT images and fragility fractures at all sites in men［J］.J Bone Miner Res，2011，26（5）：965－973.

［8］ Verhulp E，Van Rietbergen B，Muller R，et al.Micro－finite element simulation of trabecular－bone post－yield behaviour－－effects of material model，element size and type［J］.ComputMethodsBiomech Biomed Engin，2008，11（4）：389－395.

［9］ Gurgel－Juarez NC，de Almeida EO，Rocha EP，et al.Regular and platform switching：bone stress analysis varying implant type［J］.J Prosthodont，2012，21（3）：160－166.

［10］Epari DR，Lienau J，Schell H，et al.Pressure，oxygen tension and temperature in the periosteal callus during bone healing——an in vivo study in sheep［J］.Bone，2008，43（4）：734－739.

［11］Spiegelberg B，Parratt T，Dheerendra SK，et al.Ilizarov principles of deformity correction［J］.Ann R Coll Surg Engl，2010，92（2）：101－105.

［12］Nemec B，Santic V，Matovinovic D，et al.War wounds to the foot［J］.Mil Med，2000，165（1）：18－20.

［13］Parrett B M，Matros E，Pribaz JJ，et al.Lower extremity trauma：trends in the management of soft－tissue reconstruction of open tibia－fibula fractures［J］.Plast Reconstr Surg，2006，117（4）：1315－1322.

［14］Sharma M，Langrana NA，Rodriguez J.Role of ligaments and facets in lumbar spinal stability［J］.Spine（Phila Pa 1976），1995，20（8）：887－900.

［15］Easley SK，Pal S，Tomaszewski PR，et al.Finite elementbased probabilistic analysis tool for orthopaedic applications［J］.ComputMethodsPrograms Biomed，2007，85（1）：32－40.