考虑力学性能的人耳软骨模型建立方法及支架生成方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑力学性能的人耳软骨模型建立方法及支架生成方法，其中模型建立方法包括：S1扫描得到头部图像数据集；S2基于色阶变换、二值化处理方法，以分割得到头部图像数据集中人耳软骨部分的图像数据集，建立人耳软骨的三维模型；S3根据三维模型建立人耳软骨的曲面模型；S4利用有限元分析方法对曲面模型进行处理，以在人耳软骨表面增加预设厚度的表皮作为皮肤，并对人耳软骨和皮肤进行力学性能赋值，以得到预处理有限元分析模型；S5对预处理有限元分析模型进行约束设置、求解设置，以建立人耳软骨最终的有限元分析模型。本发明专利技术中人耳软骨最终的有限元分析模型可使最终生成的人耳软骨支架形状、触感更贴近真实人耳。触感更贴近真实人耳。触感更贴近真实人耳。

【技术实现步骤摘要】
考虑力学性能的人耳软骨模型建立方法及支架生成方法


[0001]本专利技术涉及人耳软骨支架领域，具体涉及一种考虑力学性能的人耳软骨模型建立方法及支架生成方法。

技术介绍

[0002]小耳畸形是一种先天性的生理缺陷，是一种面部缺陷，针对小耳畸形的治疗也在逐渐发展。传统小耳畸形的治疗主要是通过切取患者的肋软骨，并将其雕刻成人耳软骨的形状制成支架后植入耳后皮肤区域。但是，这种方法存在损伤患者身体、肋软骨材料有限、手术难度高等缺点。
[0003]近年来，3D打印技术的不断发展为治疗小耳畸形提供了新的可能性，选取合适的人工材料，通过3D打印机制造人耳软骨支架。然而，现阶段对人工材料制成的人耳软骨是否具有成为支架材料的能力评估分析相对缺失，对人耳软骨的有限元模型的分析也相对缺失，缺乏理论依据，无法保证人工材料制成的人耳软骨支架是否具有与真实人耳相同的力学性能。CN115169186A在2022年10月11日公开了一种耳软骨支架的力学性能数值分析模拟方法，此方法直接用MIMICS软件提取到的人耳软骨的三维模型较为粗糙，形状不够贴近真实人耳，且未把包覆在人耳软骨上的皮肤纳入考量，所做出的人耳软骨支架触感不够贴近真实人耳。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种考虑力学性能的人耳软骨模型建立方法及支架生成方法，对具有力学仿真性能的皮肤包裹人耳软骨进行模拟，使生成的人耳软骨支架的形状、触感更贴近真实人耳。
[0005]一种考虑力学性能的人耳软骨模型建立方法，包括步骤：S1、扫描得到头部图像数据集；S2、基于色阶变换、二值化处理方法，以分割得到头部图像数据集中人耳软骨部分的图像数据集，并基于人耳软骨部分的图像数据集建立人耳软骨的三维模型；S3、根据所述三维模型建立人耳软骨的曲面模型；S4、基于有限元分析方法对曲面模型进行处理，以在人耳软骨表面增加预设厚度的表皮作为皮肤，并对人耳软骨和皮肤进行相应的力学性能赋值，以得到预处理有限元分析模型；S5、基于有限元分析方法对预处理有限元分析模型进行约束设置、求解设置，以建立人耳软骨最终的有限元分析模型。
[0006]作为优选，步骤S2中，包括步骤：S2.1、对头部图像数据集进行色阶变换处理，以得到头部的灰阶图像；S2.2、按照各组织灰度值的差异对头部的灰阶图像进行分割提取，以得到人耳主要结构的灰阶图像；
S2.3、对人耳主要结构的灰阶图像进行二值化处理，将人耳软骨与其周围的软组织进行二次分割提取，以得到人耳软骨部分的图像数据集，建立人耳软骨的三维模型。
[0007]作为优选，步骤S3中，包括步骤：S3.1、对所述三维模型进行缺陷修复；S3.2、对缺陷修复后的三维模型进行曲率探测，以得到三维模型的外轮廓，并根据所述三维模型的外轮廓得到人耳软骨的曲面模型。
[0008]作为优选，步骤S3.1中所述缺陷包括钉状物缺陷、孔洞缺陷及噪声点缺陷。
[0009]作为优选，步骤S3.2之后，还包括步骤：S3.3、对人耳软骨的曲面模型进行松弛及细分处理，并调节各曲面大小，以得到曲面分布均匀的曲面模型。
[0010]作为优选，步骤S4中，利用有限元分析方法对曲面模型进行处理，以在人耳软骨表面增加1mm厚度的表皮作为皮肤。
[0011]作为优选，步骤S4中，所述力学性能包括弹性模量和泊松比：皮肤的弹性模量赋值为0.5
‑
2MPa，皮肤的泊松比赋值为0.4
‑
0.45，人耳软骨的弹性模量赋值为2
‑
8MPa，人耳软骨的泊松比赋值为0.42
‑
0.5。
[0012]作为优选，步骤S4中，皮肤的弹性模量赋值为1MPa，皮肤的泊松比赋值为0.42，人耳软骨的弹性模量赋值为5MPa，人耳软骨的泊松比赋值为0.46。
[0013]作为优选，步骤S4中在对人耳软骨和皮肤进行相应的力学性能赋值后，还对曲面模型进行六面体式网格划分，以得到预处理有限元分析模型。
[0014]一种考虑力学性能的人耳软骨支架生成方法，采用上述方法建立得到的人耳软骨有限元分析模型生成人耳软骨支架。
[0015]本专利技术的有益技术效果包括：1.经过色阶变换、二值化的处理，提取人耳软骨部分的图像数据集更清晰，更有利于曲面模型及有限元分析模型的建立。
[0016]2.经过对曲面模型进行松弛及细分处理后，得到的模型整体较平整，网格整体较规则，整体大小均一且不存在网格过于密集的情况，更有利于进行有限元分析，形状更加接近真实人耳软骨。
[0017]3.在原有模型的基础上向外偏移一定厚度的表皮模拟皮肤，对人耳软骨和皮肤的材料类型进行设置，对人耳软骨和皮肤进行具体的力学性能赋值，即弹性模量和泊松比的数值，便于进行有限元分析，增添了人耳软骨表面包覆皮肤的考虑，使生成的人耳软骨支架触感更贴近真实人耳。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本专利技术人耳软骨最终的有限元分析模型建立方法的流程图；图2为本专利技术得到的人耳软骨三维模型主视图；图3为本专利技术得到的人耳软骨三维模型后视图；
图4为本专利技术得到的人耳软骨有限元模型进行网格划分后的主视图。
具体实施方式
[0020]以下通过特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0021]实施例一：参照图1，步骤S1，在本实施例中，通过CT设备，对患者头部至颞骨下端健康耳一侧进行扫描，得到头部图像数据集。其中，CT扫描是一项影像学检查方法，是利用X线穿透身体内部进行断面扫描。头部图像数据集为IMA格式，格式IMA是西门子CT设备生成的，医学图像格式还可为NII、IMG、DICOM以及HDR。
[0022]参照图2和图3，步骤S2，将IMA格式的医学图像格式转换为PNG格式文件，在图像处理软件中，对头部图像数据集进行处理，分割出人耳软骨部分的图像数据集，导入医学建模软件中，并基于人耳软骨部分的图像数据集建立人耳软骨三维模型。
[0023]由于人耳软骨需要提取的软骨部分与软组织连接紧密，且难以直接分割，因此直接用MIMICS软件只能提取到很粗糙的人耳软骨三维模型。因此，本专利技术依次利用转换器和专业的图像处理软件先对头部图像数据集进行处理，后导入医学建模软件中，建立人耳软骨的三维模型。其中，图像处理软件可为Adobe Photoshop，主要处理以像素所构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.考虑力学性能的人耳软骨模型建立方法，其特征在于，包括步骤：S1、扫描得到头部图像数据集；S2、基于色阶变换、二值化处理方法，以分割得到头部图像数据集中人耳软骨部分的图像数据集，并基于人耳软骨部分的图像数据集建立人耳软骨的三维模型；S3、根据所述三维模型建立人耳软骨的曲面模型；S4、基于有限元分析方法对曲面模型进行处理，以在人耳软骨表面增加预设厚度的表皮作为皮肤，并对人耳软骨和皮肤进行相应的力学性能赋值，以得到预处理有限元分析模型；S5、基于有限元分析方法对预处理有限元分析模型进行约束设置、求解设置，以建立人耳软骨最终的有限元分析模型。2.根据权利要求1所述的考虑力学性能的人耳软骨模型建立方法，其特征在于，步骤S2中，包括步骤：S2.1、对头部图像数据集进行色阶变换处理，以得到头部的灰阶图像；S2.2、按照各组织灰度值的差异对头部的灰阶图像进行分割提取，以得到人耳主要结构的灰阶图像；S2.3、对人耳主要结构的灰阶图像进行二值化处理，将人耳软骨与其周围的软组织进行二次分割提取，以得到人耳软骨部分的图像数据集，建立人耳软骨的三维模型。3.根据权利要求1所述的考虑力学性能的人耳软骨模型建立方法，其特征在于，步骤S3中，包括步骤：S3.1、对所述三维模型进行缺陷修复；S3.2、对缺陷修复后的三维模型进行曲率探测，以得到三维模型的外轮廓，并根据所述三维模型的外轮廓得到人耳软骨的曲面模型。4.根据权利要求3所述的考虑力学性能的人耳软骨模型建立方法，其特征在于，步骤S3.1中所述缺陷包括钉状物缺陷、孔洞缺陷及噪...

【专利技术属性】
技术研发人员：史廷春，闫毅文，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：