人體組織三維建模技術(shù)與有限元仿真

2018-04-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

由于計算機水平和軟件能力的迅速提高,數(shù)值模擬技術(shù)取得很大的進展。人們已經(jīng)開發(fā)出頭部、大腦和血管等模型來研究頭部損傷機理和損傷防護。

有限元法是研究人體組織損傷機理的重要方法,由于人體組織結(jié)構(gòu)的復(fù)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(shù)值模擬中的高度非線性、流固耦合問題,是有限元模擬的關(guān)鍵。

Simpleware與ADINA聯(lián)合仿真技術(shù)

Simpleware軟件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(yè)、多學科領(lǐng)域的統(tǒng)一解決方案的專業(yè)軟件,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、合并等操作,生成表面重建后的三維圖像,同時提供多種體網(wǎng)格生成技術(shù),直接生成多種有限元軟件或計算流體力學軟件的網(wǎng)格文件,并支持導出 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件之一,ADINA在計算理論和求解問題的廣泛性方面處于全球領(lǐng)先的地位,尤其針對結(jié)構(gòu)非線性、流/固耦合等復(fù)雜問題的求解具有強大優(yōu)勢,被業(yè)內(nèi)人士認為是非線性有限元發(fā)展方向的先導,被廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域的工程仿真計算,包括土木建筑、交通運輸、石油化工、機械制造、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(lǐng)域。

運用Simpleware與ADINA聯(lián)合仿真技術(shù),可以將人體組織的CT/MRI二維斷層掃描圖片數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維模型,使用Simpleware先進的網(wǎng)格剖分技術(shù),生成ADINA結(jié)構(gòu)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,高效并精確的模擬組織應(yīng)力、應(yīng)變、傳熱、流體動力學等問題。

Simpleware工作流程圖

腦脊髓的流體動力學計算

基于MRI圖像,運用Simpleware進行三維模型重建,并建立了位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)中腦組織的變形,因此計算中需要調(diào)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

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(yīng)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(tài)的膨脹,一般發(fā)現(xiàn)于韋利斯氏環(huán)的前部和后部。腦動脈瘤的破裂會引起蛛網(wǎng)膜下出血以及嚴重的并發(fā)癥。因此,在腦動脈瘤破裂的分析中,血液動力學發(fā)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(shù),并選用ADINA中的非牛頓不可壓縮流體、流固耦合求解器。

Simpleware圖像處理并輸出ADINA有限元網(wǎng)格

圖示分別為血液壓力分布、組織剪切應(yīng)力、有效應(yīng)力、位移分布

心臟的流固耦合模擬

大多數(shù)的生物組織運動過程都與流固耦合有關(guān)。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(yōu)化心臟肺動脈瓣的外科手術(shù)。

心臟的流固耦合模型

心臟的主應(yīng)力和主應(yīng)變云圖

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(yīng)變模型,弱可壓縮流體,并在入口給定14mmHg的壓力。

不同時刻的速度場分布

多孔彈性有限元模型預(yù)測腰椎間盤的漸進破壞

腰椎間盤突出癥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(huán)及軟骨板),尤其是髓核,有不同程度的退行性改變后,在外力因素的作用下,椎間盤的纖維環(huán)破裂,髓核組織從破裂之處突出(或脫出)于后方或椎管內(nèi),導致相鄰脊神經(jīng)根遭受刺激或壓迫,從而產(chǎn)生腰部疼痛,一側(cè)下肢或雙下肢麻木、疼痛等一系列臨床癥狀。腰椎間盤復(fù)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(huán)加載,來模擬腰椎間盤漸進破壞。模擬的結(jié)果可以用來研究如何避免由于重復(fù)的負重而引起的疼痛。

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