应用Mimics软件构建腕舟骨及其血供三维有限元模型的研究

张远华++黄潮桐

[摘要] 目的 基于CT图像应用Mimics软件构建腕舟骨及其血供的三维有限元模型。 方法 采用新鲜成人手标本经灌注处理后，通过CT扫描获得数据集，利用Mimics软件重建腕舟骨及其血供等。 结果 建立了基于解剖结构的腕舟骨及其血供的三维有限元模型，各结构可单独、联合显示，可任意旋转，模型透视及多剖面显示。 结论 腕舟骨及其血供三维有限元模型的构建，可以为腕舟骨的基础研究提供三维形态学资料，为临床诊治提供客观的依据。

[关键词] 腕舟骨；血供；有限元模型；Mimics

[中图分类号] R68 [文献标识码] A [文章编号] 1674-4721（2014）01（b）-0033-02

腕舟骨骨折是临床常见骨折之一，尤其多见于青壮年，占全身骨折的2%～7%，占腕骨骨折的51%～90%[1]。多由交通事故和运动损伤所致。伤后平均6个月不能参加劳动[2]。腕舟骨骨折不愈合是骨科和手外科仍未完全解决的课题。腕舟骨骨折不愈合或缺血性坏死的发生均与其形态和血供的特殊性有密切的关系。因此，熟悉腕舟骨的形态结构及血供特点，是治疗腕舟骨相关疾病的基础。

1 材料与方法

1.1 建模环境

电脑配置：AMDAthlon64 3200+中央处理器、2G内存、24寸液体显示器、64M显存、ATI8550显卡、Windows XP/Professional操作系统。

软件：医学3-D图像生成、编辑处理软件Mimics 13.01（Materialise公司，比利时）、大型有限元分析软件Ansys 13.0（Ansys公司，美国）。

1.2 采集原始数据

选取新鲜健康成年人手标本1具，标本X线检查排除骨骼异常情况，在常温下将自凝牙托材料[3]等配成的造影剂注入标本动脉中，灌注后对标本进行防腐固定处理，标本灌注后24 h进行CT扫描。采用64排螺旋CT（Philips/Brilliance 64，飞利浦公司，荷兰）连续扫描，扫描参数：电压120 kV，电流250 mAs，层厚0.4 mm，共获取150层数据，将其以Dicom格式保存，存入光盘备用。

1.3 建立几何模型

以Mimics软件直接从所刻光盘内读取Dicom格式的CT断层图像，经定位图像，界定相应阈值，调整灰度进行图像标识，通过Marks窗口进行润色，每层图像经边缘分割、选择性编辑等处理，通过3D窗口进行构建重建腕舟骨及其骨骼内外血供的三维有限元模型。

2 结果

本实验快捷地建立了形象逼真的腕舟骨及其骨骼内外血液供应的三维有限元模型，骨骼、骨骼外血管及骨骼内血管可单独显示亦可联合显示，可360°任意旋转，模型透视及多剖面显示见图1、图2。

3 讨论

临床上腕舟骨骨折经外科处理后，仍有不少愈合不良和坏死的情况。尤其在舟骨腰部或近极发生骨折时，极易发生坏死[4]、延迟愈合、不愈合，影响功能。Sakuma M等[5]随访104例有症状的不愈合患者，发现病史>10年的患者，100%发生骨关节炎。从原因上分析，血供的优劣是影响预后的关键问题。目前这方面的解剖学研究尚较匮乏，远跟不上临床骨科及手外科发展的需要，提不出具体实用的形态结构依据。因此，为更好地研究腕舟骨骨折的发生、治疗原理，减少患者的并发症，对腕舟骨及其血供的研究显得尤为重要。

Mimics是Materialise公司生产的交互式医学影像控制系统，即为Materialise′s Interactive Medical Image Control System。Mimics软件是一个基于临床医学影像学的逆向工程软件和计算机辅助设计软件，也是介于医学与机械领域之间的一套逆向软件[6]。它是模块化结构的软件，可以根据用户的不用需求有不同的搭配。Mimics拥有强大的基于断层扫描图像的建模功能，能很好地解决复杂解剖结构的有限元三维模型建模问题。它能将CT图像以Dicom格式直接导入进行三维重建，并能对CT断层图像进行后续分析和仿真设计[7-8]，与现有三维CT重建结果不同的是，采用Mimics软件重建出的三维骨骼及血管模型可以从多角度、多平面观察骨骼及血管，测量血管直径的大小及重建出的骨骼及血管可以任意旋转、任意组合、任意角度显示，从而更为清楚地显示骨骼及血管的相互位置关系，对于判定骨折的移位方向、损伤程度及其血运情况具有重要意义。本研究为Mimics在腕舟骨及其血供的初步临床应用提供了参考，但仍需要更多病例资料和更进一步的研究来证实其临床应用的价值。

本研究首次成功构建腕舟骨及其骨骼内外血供的三维模型，真实模拟人体腕舟骨及其血供的解剖形态、毗邻关系，尤其是骨骼内血供分布的有限元分析，在国内外鲜见相关报道。这将为了解和研究腕舟骨骨折、坏死及开展新术式或创建新术式提供精确的舟骨形态、表面定位和血供情况等信息，为临床医师选择合适的手术入路、模拟复位和内固定提供客观依据，当然，这是全面认识腕舟骨及其血供的第一步，相信经过不断的努力和完善，基于CT图像应用Mimics软件快速构建腕舟骨及其血供三维有限元模型有广阔的应用前景。

[参考文献]

[1] Tiel-vuul MM，Roolker W，Broekhuizen AH，et al.The diag nostic management of suspected scophoid fracture[J].Injury，1997，28（1）：1-8.

[2] van der Molen AB，Groothoff JW，Wisser GJ，et al.Time of work due to scaphoid fractures and other carpal injuries in the period 1990 to 1993[J].J Hand Surg Br，1999，24（2）：193-198.

[3] 李忠华，黄潮桐，刘阳，等.用自凝牙托材料制作软体解剖标本[J].中国临床解剖学杂志，2007，25（5）：105-106.

[4] 顾玉东，王澍寰，侍德，手外科学[M].上海：上海科学技术出版社，2002：382-389

[5] Sakuma M，Nakamura R，Imaeda T.Analysis of proximal fragment sclerosis and suigical outcome of scaphoid non-union by magnetic resonance imaging[J].J Hand Surg Br，1995，20（2）：201-205.

[6] 张美超，刘阳，刘则玉，等.利用Mimics和Freeform建立中国数字人上颌第一磨牙三维有限元模型[J].医用生物力学，2006，24（3）：208-211.

[7] 刘登均，贺小兵，王明贵，等.Mimics软件在腰椎转移性肿瘤术前评估中的应用[J].中国数字医学，2011，6（1）：102-105.

[8] 刘登均，贺小兵，王明贵，等.基于CT断层图像重建股骨头缺血性坏死髋关节的三维结构[J].局解手术学杂志，2011，20（2）：154-156.

（收稿日期：2013-09-17 本文编辑：林利利）

[摘要] 目的 基于CT图像应用Mimics软件构建腕舟骨及其血供的三维有限元模型。 方法 采用新鲜成人手标本经灌注处理后，通过CT扫描获得数据集，利用Mimics软件重建腕舟骨及其血供等。 结果 建立了基于解剖结构的腕舟骨及其血供的三维有限元模型，各结构可单独、联合显示，可任意旋转，模型透视及多剖面显示。 结论 腕舟骨及其血供三维有限元模型的构建，可以为腕舟骨的基础研究提供三维形态学资料，为临床诊治提供客观的依据。

[关键词] 腕舟骨；血供；有限元模型；Mimics

[中图分类号] R68 [文献标识码] A [文章编号] 1674-4721（2014）01（b）-0033-02

腕舟骨骨折是临床常见骨折之一，尤其多见于青壮年，占全身骨折的2%～7%，占腕骨骨折的51%～90%[1]。多由交通事故和运动损伤所致。伤后平均6个月不能参加劳动[2]。腕舟骨骨折不愈合是骨科和手外科仍未完全解决的课题。腕舟骨骨折不愈合或缺血性坏死的发生均与其形态和血供的特殊性有密切的关系。因此，熟悉腕舟骨的形态结构及血供特点，是治疗腕舟骨相关疾病的基础。

1 材料与方法

1.1 建模环境

电脑配置：AMDAthlon64 3200+中央处理器、2G内存、24寸液体显示器、64M显存、ATI8550显卡、Windows XP/Professional操作系统。

软件：医学3-D图像生成、编辑处理软件Mimics 13.01（Materialise公司，比利时）、大型有限元分析软件Ansys 13.0（Ansys公司，美国）。

1.2 采集原始数据

选取新鲜健康成年人手标本1具，标本X线检查排除骨骼异常情况，在常温下将自凝牙托材料[3]等配成的造影剂注入标本动脉中，灌注后对标本进行防腐固定处理，标本灌注后24 h进行CT扫描。采用64排螺旋CT（Philips/Brilliance 64，飞利浦公司，荷兰）连续扫描，扫描参数：电压120 kV，电流250 mAs，层厚0.4 mm，共获取150层数据，将其以Dicom格式保存，存入光盘备用。

1.3 建立几何模型

以Mimics软件直接从所刻光盘内读取Dicom格式的CT断层图像，经定位图像，界定相应阈值，调整灰度进行图像标识，通过Marks窗口进行润色，每层图像经边缘分割、选择性编辑等处理，通过3D窗口进行构建重建腕舟骨及其骨骼内外血供的三维有限元模型。

2 结果

本实验快捷地建立了形象逼真的腕舟骨及其骨骼内外血液供应的三维有限元模型，骨骼、骨骼外血管及骨骼内血管可单独显示亦可联合显示，可360°任意旋转，模型透视及多剖面显示见图1、图2。

3 讨论

临床上腕舟骨骨折经外科处理后，仍有不少愈合不良和坏死的情况。尤其在舟骨腰部或近极发生骨折时，极易发生坏死[4]、延迟愈合、不愈合，影响功能。Sakuma M等[5]随访104例有症状的不愈合患者，发现病史>10年的患者，100%发生骨关节炎。从原因上分析，血供的优劣是影响预后的关键问题。目前这方面的解剖学研究尚较匮乏，远跟不上临床骨科及手外科发展的需要，提不出具体实用的形态结构依据。因此，为更好地研究腕舟骨骨折的发生、治疗原理，减少患者的并发症，对腕舟骨及其血供的研究显得尤为重要。

Mimics是Materialise公司生产的交互式医学影像控制系统，即为Materialise′s Interactive Medical Image Control System。Mimics软件是一个基于临床医学影像学的逆向工程软件和计算机辅助设计软件，也是介于医学与机械领域之间的一套逆向软件[6]。它是模块化结构的软件，可以根据用户的不用需求有不同的搭配。Mimics拥有强大的基于断层扫描图像的建模功能，能很好地解决复杂解剖结构的有限元三维模型建模问题。它能将CT图像以Dicom格式直接导入进行三维重建，并能对CT断层图像进行后续分析和仿真设计[7-8]，与现有三维CT重建结果不同的是，采用Mimics软件重建出的三维骨骼及血管模型可以从多角度、多平面观察骨骼及血管，测量血管直径的大小及重建出的骨骼及血管可以任意旋转、任意组合、任意角度显示，从而更为清楚地显示骨骼及血管的相互位置关系，对于判定骨折的移位方向、损伤程度及其血运情况具有重要意义。本研究为Mimics在腕舟骨及其血供的初步临床应用提供了参考，但仍需要更多病例资料和更进一步的研究来证实其临床应用的价值。

本研究首次成功构建腕舟骨及其骨骼内外血供的三维模型，真实模拟人体腕舟骨及其血供的解剖形态、毗邻关系，尤其是骨骼内血供分布的有限元分析，在国内外鲜见相关报道。这将为了解和研究腕舟骨骨折、坏死及开展新术式或创建新术式提供精确的舟骨形态、表面定位和血供情况等信息，为临床医师选择合适的手术入路、模拟复位和内固定提供客观依据，当然，这是全面认识腕舟骨及其血供的第一步，相信经过不断的努力和完善，基于CT图像应用Mimics软件快速构建腕舟骨及其血供三维有限元模型有广阔的应用前景。

[参考文献]

[1] Tiel-vuul MM，Roolker W，Broekhuizen AH，et al.The diag nostic management of suspected scophoid fracture[J].Injury，1997，28（1）：1-8.

[2] van der Molen AB，Groothoff JW，Wisser GJ，et al.Time of work due to scaphoid fractures and other carpal injuries in the period 1990 to 1993[J].J Hand Surg Br，1999，24（2）：193-198.

[3] 李忠华，黄潮桐，刘阳，等.用自凝牙托材料制作软体解剖标本[J].中国临床解剖学杂志，2007，25（5）：105-106.

[4] 顾玉东，王澍寰，侍德，手外科学[M].上海：上海科学技术出版社，2002：382-389

[5] Sakuma M，Nakamura R，Imaeda T.Analysis of proximal fragment sclerosis and suigical outcome of scaphoid non-union by magnetic resonance imaging[J].J Hand Surg Br，1995，20（2）：201-205.

[6] 张美超，刘阳，刘则玉，等.利用Mimics和Freeform建立中国数字人上颌第一磨牙三维有限元模型[J].医用生物力学，2006，24（3）：208-211.

[7] 刘登均，贺小兵，王明贵，等.Mimics软件在腰椎转移性肿瘤术前评估中的应用[J].中国数字医学，2011，6（1）：102-105.

[8] 刘登均，贺小兵，王明贵，等.基于CT断层图像重建股骨头缺血性坏死髋关节的三维结构[J].局解手术学杂志，2011，20（2）：154-156.

（收稿日期：2013-09-17 本文编辑：林利利）

[摘要] 目的 基于CT图像应用Mimics软件构建腕舟骨及其血供的三维有限元模型。 方法 采用新鲜成人手标本经灌注处理后，通过CT扫描获得数据集，利用Mimics软件重建腕舟骨及其血供等。 结果 建立了基于解剖结构的腕舟骨及其血供的三维有限元模型，各结构可单独、联合显示，可任意旋转，模型透视及多剖面显示。 结论 腕舟骨及其血供三维有限元模型的构建，可以为腕舟骨的基础研究提供三维形态学资料，为临床诊治提供客观的依据。

[关键词] 腕舟骨；血供；有限元模型；Mimics

[中图分类号] R68 [文献标识码] A [文章编号] 1674-4721（2014）01（b）-0033-02

腕舟骨骨折是临床常见骨折之一，尤其多见于青壮年，占全身骨折的2%～7%，占腕骨骨折的51%～90%[1]。多由交通事故和运动损伤所致。伤后平均6个月不能参加劳动[2]。腕舟骨骨折不愈合是骨科和手外科仍未完全解决的课题。腕舟骨骨折不愈合或缺血性坏死的发生均与其形态和血供的特殊性有密切的关系。因此，熟悉腕舟骨的形态结构及血供特点，是治疗腕舟骨相关疾病的基础。

1 材料与方法

1.1 建模环境

电脑配置：AMDAthlon64 3200+中央处理器、2G内存、24寸液体显示器、64M显存、ATI8550显卡、Windows XP/Professional操作系统。

软件：医学3-D图像生成、编辑处理软件Mimics 13.01（Materialise公司，比利时）、大型有限元分析软件Ansys 13.0（Ansys公司，美国）。

1.2 采集原始数据

选取新鲜健康成年人手标本1具，标本X线检查排除骨骼异常情况，在常温下将自凝牙托材料[3]等配成的造影剂注入标本动脉中，灌注后对标本进行防腐固定处理，标本灌注后24 h进行CT扫描。采用64排螺旋CT（Philips/Brilliance 64，飞利浦公司，荷兰）连续扫描，扫描参数：电压120 kV，电流250 mAs，层厚0.4 mm，共获取150层数据，将其以Dicom格式保存，存入光盘备用。

1.3 建立几何模型

以Mimics软件直接从所刻光盘内读取Dicom格式的CT断层图像，经定位图像，界定相应阈值，调整灰度进行图像标识，通过Marks窗口进行润色，每层图像经边缘分割、选择性编辑等处理，通过3D窗口进行构建重建腕舟骨及其骨骼内外血供的三维有限元模型。

2 结果

本实验快捷地建立了形象逼真的腕舟骨及其骨骼内外血液供应的三维有限元模型，骨骼、骨骼外血管及骨骼内血管可单独显示亦可联合显示，可360°任意旋转，模型透视及多剖面显示见图1、图2。

3 讨论

临床上腕舟骨骨折经外科处理后，仍有不少愈合不良和坏死的情况。尤其在舟骨腰部或近极发生骨折时，极易发生坏死[4]、延迟愈合、不愈合，影响功能。Sakuma M等[5]随访104例有症状的不愈合患者，发现病史>10年的患者，100%发生骨关节炎。从原因上分析，血供的优劣是影响预后的关键问题。目前这方面的解剖学研究尚较匮乏，远跟不上临床骨科及手外科发展的需要，提不出具体实用的形态结构依据。因此，为更好地研究腕舟骨骨折的发生、治疗原理，减少患者的并发症，对腕舟骨及其血供的研究显得尤为重要。

Mimics是Materialise公司生产的交互式医学影像控制系统，即为Materialise′s Interactive Medical Image Control System。Mimics软件是一个基于临床医学影像学的逆向工程软件和计算机辅助设计软件，也是介于医学与机械领域之间的一套逆向软件[6]。它是模块化结构的软件，可以根据用户的不用需求有不同的搭配。Mimics拥有强大的基于断层扫描图像的建模功能，能很好地解决复杂解剖结构的有限元三维模型建模问题。它能将CT图像以Dicom格式直接导入进行三维重建，并能对CT断层图像进行后续分析和仿真设计[7-8]，与现有三维CT重建结果不同的是，采用Mimics软件重建出的三维骨骼及血管模型可以从多角度、多平面观察骨骼及血管，测量血管直径的大小及重建出的骨骼及血管可以任意旋转、任意组合、任意角度显示，从而更为清楚地显示骨骼及血管的相互位置关系，对于判定骨折的移位方向、损伤程度及其血运情况具有重要意义。本研究为Mimics在腕舟骨及其血供的初步临床应用提供了参考，但仍需要更多病例资料和更进一步的研究来证实其临床应用的价值。

本研究首次成功构建腕舟骨及其骨骼内外血供的三维模型，真实模拟人体腕舟骨及其血供的解剖形态、毗邻关系，尤其是骨骼内血供分布的有限元分析，在国内外鲜见相关报道。这将为了解和研究腕舟骨骨折、坏死及开展新术式或创建新术式提供精确的舟骨形态、表面定位和血供情况等信息，为临床医师选择合适的手术入路、模拟复位和内固定提供客观依据，当然，这是全面认识腕舟骨及其血供的第一步，相信经过不断的努力和完善，基于CT图像应用Mimics软件快速构建腕舟骨及其血供三维有限元模型有广阔的应用前景。

[参考文献]

[1] Tiel-vuul MM，Roolker W，Broekhuizen AH，et al.The diag nostic management of suspected scophoid fracture[J].Injury，1997，28（1）：1-8.

[2] van der Molen AB，Groothoff JW，Wisser GJ，et al.Time of work due to scaphoid fractures and other carpal injuries in the period 1990 to 1993[J].J Hand Surg Br，1999，24（2）：193-198.

[3] 李忠华，黄潮桐，刘阳，等.用自凝牙托材料制作软体解剖标本[J].中国临床解剖学杂志，2007，25（5）：105-106.

[4] 顾玉东，王澍寰，侍德，手外科学[M].上海：上海科学技术出版社，2002：382-389

[5] Sakuma M，Nakamura R，Imaeda T.Analysis of proximal fragment sclerosis and suigical outcome of scaphoid non-union by magnetic resonance imaging[J].J Hand Surg Br，1995，20（2）：201-205.

[6] 张美超，刘阳，刘则玉，等.利用Mimics和Freeform建立中国数字人上颌第一磨牙三维有限元模型[J].医用生物力学，2006，24（3）：208-211.

[7] 刘登均，贺小兵，王明贵，等.Mimics软件在腰椎转移性肿瘤术前评估中的应用[J].中国数字医学，2011，6（1）：102-105.

[8] 刘登均，贺小兵，王明贵，等.基于CT断层图像重建股骨头缺血性坏死髋关节的三维结构[J].局解手术学杂志，2011，20（2）：154-156.

（收稿日期：2013-09-17 本文编辑：林利利）