人體組織三維建模技術與有限元分析

2020-08-06 醫學有限元分析呀

有限元法是研究人體組織損傷機理的重要方法，由於人體組織結構的複雜性，如何建立高生物仿真度的有限元模型是有限元計算中必須解決的首要問題；其次，如何解決數值模擬中的高度非線性、流固耦合問題，是有限元模擬的關鍵。


人體組織三維建模技術與有限元分析


Simpleware與ADINA聯合仿真技術

Simpleware軟體是一套集成逆向工程、材料工程、生物力學工程、有限元分析等 多工業、多學科領域的統一解決方案的專業軟體,它通過對三維體圖或二維平面序列圖像(CT/MRI/Microscopy)進行提取、分割、合併等操作,生成表面重建後的三維圖像,同時提供多種體網格生成技術,直接生成多種有限元軟體或計算流體力學軟體的網格文件,並支持導出 NURBS 曲面描述的CAD 模型。

ADINA是國際上最著名的通用有限元分析軟體之一，ADINA在計算理論和求解問題的廣泛性方面處於全球領先的地位，尤其針對結構非線性、流/固耦合等複雜問題的求解具有強大優勢，被業內人士認為是非線性有限元發展方向的先導，被廣泛應用於各個工業領域的工程仿真計算，包括土木建築、交通運輸、石油化工、機械製造、航空航天、汽車、國防軍工、船舶、生物力學以及科學研究等各個領域。

運用Simpleware與ADINA聯合仿真技術，可以將人體組織的CT/MRI二維斷層掃描圖片數據創建三維模型，使用Simpleware先進的網格剖分技術，生成ADINA結構和流體模型。ADINA強大的非線性力學計算功能和流固耦合求解能力，高效並精確的模擬組織應力、應變、傳熱、流體動力學等問題。

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Simpleware工作流程圖

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腦脊髓的流體動力學計算

基於MRI圖像，運用Simpleware進行三維模型重建，並建立了位於中樞神經系統中的腦脊髓三維流體動力學有限元模型。本例中需要計算腦脊髓的流動和循環系統中腦組織的變形，因此計算中需要調用ADINA-FSI求解器（流固耦合）
從MR圖像到三維有限元模型

Simpleware操作界面

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ADINA模擬的腦脊髓流動動力學模擬：壓力、速度分布

腦積水病人腦部應力分布和速度場分布

腦動脈瘤的流固耦合計算

腦動脈瘤是動脈病態的膨脹，一般發現於韋利斯氏環的前部和後部。腦動脈瘤的破裂會引起蛛網膜下出血以及嚴重的併發症。因此，在腦動脈瘤破裂的分析中，血液動力學發揮著很重要的作用。下面的例子模擬了血液的流動以及流固耦合問題。模型的建立運用了三維圖像處理技術，並選用ADINA中的非牛頓不可壓縮流體、流固耦合求解器。

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Simpleware圖像處理並輸出ADINA有限元網格

圖示分別為血液壓力分布、組織剪切應力、有效應力、位移分布

心臟的流固耦合模擬

大多數的生物組織運動過程都與流固耦合有關。本例就使用了流固耦合計算方法，模擬了某位病人左右心房和膜片的模型，目的是用來優化心臟肺動脈瓣的外科手術。

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心臟的流固耦合模型

心臟的主應力和主應變雲圖

主動脈瓣的流固耦合模擬

本例使用ADINA建立了主動脈根和主動脈瓣的二維平面應變模型，弱可壓縮流體，並在入口給定14mmHg的壓力。

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不同時刻的速度場分布

多孔彈性有限元模型預測腰椎間盤的漸進破壞

腰椎間盤突出症是較為常見的疾患之一，主要是因為腰椎間盤各部分（髓核、纖維環及軟骨板），尤其是髓核，有不同程度的退行性改變後，在外力因素的作用下，椎間盤的纖維環破裂，髓核組織從破裂之處突出（或脫出）於後方或椎管內，導致相鄰脊神經根遭受刺激或壓迫，從而產生腰部疼痛，一側下肢或雙下肢麻木、疼痛等一系列臨床症狀。腰椎間盤複雜的模型建立，是有限元分析的重點。

本例中使用ADINA進行循環加載，來模擬腰椎間盤漸進破壞。模擬的結果可以用來研究如何避免由於重複的負重而引起的疼痛。

使用多孔介質材料來模擬椎間盤，並且考慮固相和液相。下圖為腰椎間盤的有限元模型。

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腰椎間盤網格圖

一個循環加載後，各部位所受的力與時間的關係如下圖所示。

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受力與時間的關係

同時，我們也能獲得在不同加載力和循環次數條件下的椎間盤有效應力雲圖。

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有效應力雲圖

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