中国力学虚拟人颅骨系统研究及其在颌面骨缺损修复中的应用

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1、申请上海交通大学博士学位论文Y1052879中国力学虚拟人颅骨系统研究及其在颌面骨缺损修复中的应用博士生：铁瑛(。。3—2_。7一只秒导师：王成焘教授专业：机械设计与理论上海交通大学机械与动力工程学院2006年11月上海交通大学博士论文摘要中国力学虚拟人颅骨系统研究及其在颌面骨缺损修复中的应用摘要人体骨骼肌肉个体间的差异性、多样性以及活体实验的局限性，使得关于人体生物特性的研究工作开展的十分困难。与此同时，随着医疗条件的改善，各种临床手术方法不断的涌现，如何有效的评价术后效果，成为当前相关领域生物医学研究者的

2、重要研究工作。本文基于上海交通大学生命质量与机械工程研究所“中国力学虚拟人”重点项目以及三个与上海第九人民医院联合研究开发项目的支撑，在实现颌面“骨骼一肌肉”三维几何模型和力学模型的基础上，结合临床病例，将该模型应用于颌面外科手术领域，对不同颌面骨缺损的修复方法进行了手术仿真设计和生物力学评价。文中围绕研究在符合人体咀嚼周期生理状态的肌力与关节约束等边界条件下，人体颅骨的生物力学特性这一主题，构造了人体颅骨骨骼一肌肉的运动学仿真和有限元力学系统模型。采用NDI运动捕捉系统，获得仿真运动输入数据。利用颌面咀嚼三

3、维运动学仿真和肌力优化算法验证，确定了有限元力学计算的边界条件。在咀嚼周期6个运动相下，对自然颅骨进行了有限元分析，并在该有限元力学系统模型基础上，对颌面骨缺损三种不同类型的修复方法(骨瓣移植修复、种植体修复和赝复体修复)进行了生物力学性能方面的分析和评价。本文的主要工作可以归纳为以下几点：．1．基于CT和冷冻切片解剖图像数据的颅骨骨骼肌肉几何形态建模。为了更好的提取人体颅骨的轮廓线信息，采用图像分割和曲线逼近的方法，精确获取骨骼和肌肉轮廓信息(该轮廓线提取和建模方法已在SCI源期刊发表论文一篇)，避免了轮廓

4、信息的丢失，同时，缩短了建模时间。建立了根据解剖结构模块化的颅骨几何模型和10束肌肉几何模型。2．咀嚼运动中的运动力学仿真。采用肌力与肌小节长度和速度的关系方程，完成了咀嚼功能相关的10束肌肉的18束力学直线肌小节模型的构建问题。采用上海交通人学博士论文NDI运动捕捉系统测试获得仿真输入，构建下颌骨、颞下颌关节、18束肌肉和食物粒的运动学仿真系统模型。利用三维运动学仿真和基于咀嚼运动仿真的肌力优化算法确定了咀嚼周期状态下有限元计算的力学边界条件(肌力、关节力和黔力)。通过肌电激活信号测试，对计算所得肌力结果进

5、行验证，结果具有较高的相似性。3．自然颅骨弹性模量计算和咀嚼周期下的有限元力学分析。根据骨CT灰度与弹性模量的计算关系，给出了颅骨各骨块的平均弹性模量，以及下颌骨松质骨和皮质骨弹性模量，并与相关文献进行了对比。根据运动学相关结果，计算了咀嚼周期6个运动相下颌骨的应力分布，比较了肌力作用前后下颌骨应力分布的改变。4．手术模型的几何仿真。基于颌骨可视化和解剖模块化功能，实现了几何模型的测量、分割和缺损模块化的功能。对颌面缺损三种不同类型的修复方法(骨瓣移植修复、种植体修复和赝复体修复)进行了手术设计和仿真实现。5

6、颌面修复方法的生物力学评价。在有限元力学系统模型基础上，对颌面缺损三种不同类型的修复方法(骨瓣移植修复、种植体修复和赝复体修复)进行了生物力学分析(骨瓣移植修复方法的生物力学评价结果已在SCI源期刊录用论文一篇)，论证了各种修复方法的生物力学性能。针对人体颅骨生物力学的复杂性和实体试验的局限性，本文对颅骨“骨骼一肌肉”系统的几何构造和力学性能分析方面的关键技术进行了系统的研究，相关内容在国内外期刊、会议上发表。解剖相似性好、可靠性高的颅骨几何和有限元模型的建立，为生物医学工程研究颅骨的力学特性提供了重要的工具

7、，同时，也为临床颌面骨修复提供了手术设计和术后评价的重要途径。关键词：三维几何建模，运动仿真，有限元分析，颌面骨修复方法II上海交通大学博士论文ABSTRACTSKULLSYSTEMSTUDYOFM匝CHANICALVIIU、UALHUMANOFCHINAANDITSAPPLICATl0NS0FN【AXILLOFACIALBONEDEFECTSABSTRACTDuetothevariability,diversityofhumanmusculoskeletalsystemand1imitationofexpe

8、rimentconditioninvivo．itiSverydi伍culttodevelopresearchesonhumanbodymechanicalcharacteristics．Atthesarfletime．withimprovementofmedicalcondition．differentclinicalsurgicalmethodsOCCur,howtoevaluatepostope