1、中仿Simpleware骨科生物力學(xué)實驗解決方案一、 概述隨著骨科生物力學(xué)的研究進展，對骨科疾病不論是采用中醫(yī)藥還是西醫(yī)手術(shù)治療都具有相當(dāng)顯著的進步，生物力學(xué)在臨床骨科和基礎(chǔ)研究中的運用不斷提升，整個創(chuàng)傷骨科的進步已延伸出另一個創(chuàng)新領(lǐng)域。骨科手術(shù)中采用置換人工假體來取代退化的關(guān)節(jié)，大大改善過去臨床無法解決的問題并且手術(shù)成功率已達相當(dāng)滿意的結(jié)果。此外，骨科新材料、新型內(nèi)外固定器械的應(yīng)用都離不開生物力學(xué)理論，生物力學(xué)分析為臨床應(yīng)用與研究提供定量標(biāo)準(zhǔn)，利用生物力學(xué)測試技術(shù)定量計算未知的肌肉或骨關(guān)節(jié)作用力為臨床治療提供極有價值的信息。骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉等構(gòu)成的人體運動系統(tǒng)的生物力學(xué)作為生物力學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)

2、結(jié)合最緊密的領(lǐng)域之一，在近些年來得到了較大的發(fā)展。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域肌肉骨骼模型的建立，骨的適應(yīng)性改建，軟骨組織宏觀與微觀分析和實驗研究，肌肉力量的預(yù)測，韌帶和肌腱結(jié)構(gòu)關(guān)系，功能解剖學(xué)、細胞分子力學(xué)等均取得了較多的成果。并且這些研究不斷地被應(yīng)用于臨床實際中，如矯形、植入假體等。二、骨骼力學(xué)物理實驗分析的缺點圖2.1人造實體肋骨與手骨骨骼模型人造骨骼模型比較理想化和簡單化，沒有復(fù)雜的拓撲和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。用人造骨骼模型來進行力學(xué)實驗研究，與實際情況會產(chǎn)生較大的誤差，以致在臨床醫(yī)學(xué)方面不能廣泛應(yīng)用。物理實驗分析的缺點：l 模型簡單、理想化l 實驗結(jié)果受環(huán)境影響大l 實驗結(jié)果有效性不足，難以廣泛應(yīng)用目前，隨著

3、計算機技術(shù)的發(fā)展，國際上提出利用骨骼掃描圖像進行逆向三維重構(gòu)建模。利用模型進行模擬計算分析，還能將活動狀態(tài)下肌肉、肌腱、韌帶和關(guān)節(jié)的力進行量化和定量分析，促進了醫(yī)學(xué)臨床和基礎(chǔ)研究對肌肉-骨骼系統(tǒng)疾病的治療以及創(chuàng)傷和畸形、退行性病變的重建、診斷與治療，更加有效地提高臨床療效。三、骨骼生物力學(xué)仿真實驗研究全球高端解決方案Simpleware上述傳統(tǒng)骨骼模型物理實驗方法的缺陷，中仿Simpleware軟件已能完全解決，它致力于為CAD、CAE以及3D打印領(lǐng)域提供世界領(lǐng)先的三維圖像處理、分析以及建模和服務(wù)，已在世界范圍內(nèi)被業(yè)界廣泛采用。2013年11月中仿科技公司應(yīng)邀參加第九次全國整脊學(xué)術(shù)交流大會，詳

4、細介紹Simpleware軟件，并就Simpleware在骨骼建模及力學(xué)仿真分析計算領(lǐng)域的應(yīng)用做詳細介紹及案例操作，并得到了與會人員一致的認可。Simpleware 軟件具有CT圖像三維處理功能，其強大而精確的建模功能將CT掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計算模型，用于骨骼力學(xué)的研究，提供完善的數(shù)值計算解決方案。（一）軟件相關(guān)模塊簡介Simpleware軟件幫助您全面處理3D圖像數(shù)據(jù)（MRI，CT，顯微CT，F(xiàn)IB-SEM），并導(dǎo)出適用于CAD、CAE、以及3D印刷的模型。使用圖像處理模塊（ScanIP）對數(shù)據(jù)進行可視化，分析，量化和處理，并輸出模型或網(wǎng)格。利用有限元模塊（+FE Module）生成CAE網(wǎng)格；

5、利用全新的物理模塊：固體力學(xué)模塊（+SOLID Module）、流體分析模塊（+FLOW Module）以及多學(xué)科分析模塊（+LAPLACE Module），通過均質(zhì)化技術(shù)計算掃描樣品的有效材料屬性。圖3-1.1 simpleware建模流程Simpleware軟件基于核心的圖像處理平臺ScanIP，結(jié)合可選模塊，實現(xiàn)FE/CFD網(wǎng)格生成、CAD一體化以及有效材料屬性的計算。Simpleware三維圖像建模軟件的主要模塊如下： ScanIP Software: 核心圖像處理平臺 +FE Module: 網(wǎng)格生成模塊 +NURBS： 曲面建模模塊 +CAD Module: CAD 模塊 Phys

6、ics Modules：物理模塊Ø +SOLID Module：結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊Ø +FLOW Module：流體分析模塊Ø +LAPLACE Module：多學(xué)科分析模塊1、核心圖像處理平臺ScanIPScanIP為3D圖像數(shù)據(jù)的圖像可視化、測量和處理工具提供了寬泛的選擇。處理后的圖像可導(dǎo)出為STL或點云文件，應(yīng)用于CAD分析、求解、和3D打印領(lǐng)域。ScanIP為3D圖像數(shù)據(jù)（MIR，CT，micro-CT，F(xiàn)IB-SEM）的綜合處理提供了軟件環(huán)境。軟件為用戶提供了功能強大的數(shù)據(jù)可視化、分析、分割、以及量化工具。ScanIP易于學(xué)習(xí)和使用，內(nèi)置視頻錄制功能，并能基于

7、處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出可用于CAD或3D打印的曲面模型/網(wǎng)格。附加模塊可用于通過掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)出CAE網(wǎng)格、整合圖像數(shù)據(jù)、建模、導(dǎo)出NURBS曲面、計算有效材料屬性的功能。l 優(yōu)勢Ø 直觀的用戶界面易學(xué)易用Ø 生成高質(zhì)量的多部分STL和曲面模型無需手動修正或重剖網(wǎng)格Ø 腳本自動執(zhí)行可重復(fù)的任務(wù)及操作Ø 直接進行圖像到曲面的轉(zhuǎn)換，曲面輸出及可視化準(zhǔn)確、高質(zhì)量地重構(gòu)數(shù)據(jù)l 重要特征圖3-1.2 CT數(shù)據(jù)提取和可視化Ø 支持導(dǎo)入多種文件格式Ø 提供具有多個2D/3D視角的可定制化工作區(qū)Ø 背景圖像及蒙片的立體渲染Ø 動畫錄制和視頻

8、文件導(dǎo)出Ø 綜合測量和統(tǒng)計工具Ø 功能強大的半自動分割工具Ø 確保多部分面網(wǎng)格/STL的一致性2、網(wǎng)格生成模塊+FESimpleware +FE模塊具有強大的基于圖像的網(wǎng)格剖分能力，提供高質(zhì)量解決方案，將分割后的3D圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多部分的體積網(wǎng)格，導(dǎo)出并應(yīng)用于有限元（FE）或計算流體力學(xué)（CFD）軟件包。生成的網(wǎng)格具有一致的接口和共享節(jié)點，可指定材料屬性、定義接觸、節(jié)點集和殼單元，并定義CFD邊界條件，通過減少在其他軟件重劃網(wǎng)格的步驟加快用戶的工作流程。l 優(yōu)勢Ø 自動、高效、快速幾分鐘即可完成從圖像分割到分析模型的生成Ø 一般的個人電腦”進行

9、處理生成復(fù)雜的網(wǎng)格完成復(fù)雜模型不依賴于高性能計算機Ø 僅取決于圖像質(zhì)量的拓撲/形態(tài)學(xué)精確度圖3-1.3 邊界層生成分割與平滑圖像過程中保持圖像精度不變Ø FEA和CFD網(wǎng)格一致，尤其適用于流固耦合分析強大的多部分模型避免間隙和重疊 重要特征Ø 可基于任意形狀的復(fù)雜幾何體生成網(wǎng)格Ø 用戶可選擇基本網(wǎng)格或自由網(wǎng)格Ø 根據(jù)圖像信號強度分配材料屬性Ø 具有拓撲保留和體保留的光滑算法Ø 可對感興趣的多結(jié)構(gòu)/區(qū)域進行網(wǎng)格劃分圖3-1.4 骨骼模型網(wǎng)格生成材料灰度值計算Ø 可保證接觸的表面/界面的一致性Ø 生成用戶自定

10、義的自適應(yīng)網(wǎng)格3、URBS曲面建模模塊+NURBS曲面建模模塊提供了，一種從圖像到CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的一種途徑，通過創(chuàng)建NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）模型。該集成模塊運用自動擬合和表面生成技術(shù)，將ROI（regions of interest）感興趣區(qū)域，轉(zhuǎn)換為 NURBS IGES 文件，轉(zhuǎn)換后可導(dǎo)入至 CAD 軟件中。 優(yōu)勢Ø完全自動化補片擬合NURBS模型只需幾分鐘即可完成圖像到CAD模型的轉(zhuǎn)換Ø高精度保留幾何及拓撲結(jié)構(gòu)圖3-1.5 自動化NURBS曲面選擇從分割到模型保存無特征損失Ø控制補片布局和控制點最優(yōu)化補片布局

11、根據(jù)原始幾何形狀 重要特征Ø +NURBS模塊可以完全集成于ScanIP圖3-1.6 NURBS曲面模型實例Ø從圖像到CAD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換Ø NURBS IGES 文件，可導(dǎo)入至 CAD 軟件中4、CAD模塊+CAD模塊與與 ScanIP 模塊緊密結(jié)合，為CAD模型與三維圖像的融合提供一系列的工具。所獲得的幾何模型能夠輸出為眾多CAD文件格式模型，或者利用+FE模塊自動生成眾多有限元網(wǎng)格。在32位或64位Windows平臺支持多處理器進行CAD建模。l 優(yōu)勢Ø 輕松組合圖像與CAD數(shù)據(jù)避免在CAD環(huán)境中用到圖像Ø 為組合圖像和CAD數(shù)據(jù)準(zhǔn)確生成網(wǎng)格

12、ScanIP 和 +FE 模塊強大的網(wǎng)格算法Ø 為外科手術(shù)可變性效應(yīng)簡化多網(wǎng)格的生成快速，可重復(fù)，精確 圖3-1.7骨近端固定骨折后的相對定位+ CAD模塊Ø 設(shè)計外科手術(shù)指南和范本，闡述支架/微架構(gòu)完美重現(xiàn)真實場景重要特征Ø將大部分常見CAD文件格式直接導(dǎo)入到三維圖像Ø根據(jù)用戶定義提供二維/三維視圖Ø利用實時交互式輸入和鍵盤輸入進行定位Ø沿著用戶定義的矢量進行限定性運動定位圖3-1.9 距離測量定位Ø重采樣的幾何保留Ø生成CAD為圖元的模板生成內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)Ø以STL形式導(dǎo)出組合模型或?qū)隨canIP 做

13、進一步體網(wǎng)格劃分5、物理模塊物理模塊包括結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊（+SOLID Module）、流體分析模塊（+FLOW Module）、以及多學(xué)科分析模塊（+LAPLACE Module）。物理模塊的主要功能如下：模塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊（+SOLID Module）流體分析模塊（+FLOW Module）多學(xué)科分析模塊（+LAPLACE Module）概述計算材料有效剛度張量和彈性模量。調(diào)用軟件內(nèi)置的有限元求解器或采用基于分割圖像的快速半解析法來執(zhí)行數(shù)值均勻化計算。計算多孔介質(zhì)滲透率等參數(shù)，數(shù)值均勻化計算調(diào)用軟件內(nèi)置的Stokes求解器。計算由Laplace方程控制的材料行為對應(yīng)的有效材料參數(shù)，包括但不限于電

14、導(dǎo)率、介電常數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、擴散系數(shù)等。采用軟件內(nèi)置的有限元求解器或者基于分割圖像的快速半解析法來執(zhí)行數(shù)值均勻化計算。核心功能 計算有效剛度張量/彈性模量 內(nèi)置有限元求解器 多相材料模型構(gòu)建 快速半解析法評估 可視化變形、應(yīng)力應(yīng)變 計算多孔介質(zhì)滲透率 內(nèi)置有限元求解器 可視化速度場和壓力場 計算有效電導(dǎo)率和介電常數(shù) 計算熱傳導(dǎo)系數(shù) 計算擴散系數(shù) 內(nèi)置有限元求解器 快速半解析法評估 可視化場分布特性結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊（+SOLID Module）流體分析模塊（+FLOW Module）多學(xué)科分析模塊（+LAPLACE Module）生成高質(zhì)量的體網(wǎng)格（Hex/Tet或Tet）灰度值材料映射計算有效彈性

15、參數(shù)計算滲透率系數(shù)計算電參數(shù)和熱參數(shù)可視化有限元模擬結(jié)果 優(yōu)勢Ø 穩(wěn)定而有效的均質(zhì)化方法復(fù)合材料的簡化分析Ø 基于3D掃描的高效仿真分析在ScanIP中快速計算有效屬性Ø 在多種預(yù)定義邊界條件中進行選擇基于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計進行分析，節(jié)約時間Ø 高質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化及動畫功能圖3-1.10 多孔材料樣品絕對滲透率張量、有效 的導(dǎo)電性、透氣性、導(dǎo)熱性和分子擴散 與同事分享和探討仿真結(jié)果Ø 腳本自動重復(fù)任務(wù)和操作l 重要特征Ø 計算有效彈塑性特性（結(jié)構(gòu)模塊）、絕對滲透率（流體模塊）、電導(dǎo)率和介電常數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和分子擴散系數(shù)（拉普拉斯模塊）Ø

16、可在完整的基于有限元的均質(zhì)化方法和快速半解析法之間進行選擇（僅適用于結(jié)構(gòu)模塊和拉普拉斯模塊）Ø 自動計算最適合的各向同性（所有物理模塊）、正交各向異性（結(jié)構(gòu)模塊）、以及單軸（流體模塊和拉普拉斯模塊）近似值，以及算有效張量Ø 自動測定模型主軸方向Ø 計算結(jié)果可導(dǎo)出為text或VTK格式文件（二）Simpleware軟件在骨骼力學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用Simpleware軟件骨骼建模及力學(xué)仿真計算目前在世界上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。極大促進了骨骼研究和臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展。2009年10月中仿科技應(yīng)邀參第九屆全國生物力學(xué)學(xué)術(shù)會議。詳細地介紹了Simpleware軟件，并就Simplewar

17、e軟件在骨骼力學(xué)域的應(yīng)用做詳細介紹及案例操作。如人體脛骨平臺受力研究、頸椎建模及應(yīng)力應(yīng)變分析等。l 全頸椎三維有限元模型的構(gòu)建與分析利用Simpleware軟件構(gòu)建全頸椎三維有限元模型,在ANSYS中模擬前屈、后伸、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)工況下頸椎的生物力學(xué)性能。1.輸入CT掃描圖像圖3-2.1頸椎CT掃描圖像2、重構(gòu)頸椎幾何模型：基于CT斷層掃描圖像，在中仿醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Simpleware中利用Thresholding工具進行閥值分析、區(qū)域增長，得到CT圖像骨區(qū)以彩色填充的數(shù)據(jù)集表示，對不完整的邊界模糊的顯色區(qū)域，使用圖像閉合工具和遞歸高斯過濾器進行調(diào)整，完成頸椎模型的三維重建，得到C17全頸椎

18、初步三維模型。圖3-2.2三維重構(gòu)的幾何模型3、有限元模型的建立：利用網(wǎng)格模塊將整個椎體劃分成前方椎體與后方骨性單元。再按照線面網(wǎng)格再體網(wǎng)格的順序，運用網(wǎng)格偏置和共用面網(wǎng)格的方法構(gòu)建椎體有限元網(wǎng)格模型并設(shè)置椎體各部分材料屬性。圖3-2.3頸椎C17椎體有限元網(wǎng)格模型4、將模型導(dǎo)入到ADINA軟件中進行模擬計算圖3-2.4椎間盤應(yīng)力云圖l 短節(jié)段腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的三維有限元模型建立及應(yīng)力分析1、利用圖像處理模塊重建的腰椎三維幾何模型圖3-2.5腰椎三維幾何模型2、利用網(wǎng)格模塊生成有限元網(wǎng)格模型圖3-2.6螺釘固定的腰椎有限元網(wǎng)格模型3、導(dǎo)入到ADINA軟件中進行模擬計算圖3-2.7腰椎各

19、部分受力與時間關(guān)系圖 Simpleware軟件的優(yōu)勢l 可視化, 分割以及分析復(fù)雜的解剖數(shù)據(jù)集。l 整合植入物的CAD模型與具體患者的數(shù)據(jù)。l 提供強大的網(wǎng)格生成功能，用于有限元和計算流體力學(xué)。l 遵循國際FDA法規(guī)并通過FDA 510K認證。關(guān)于Simpleware軟件借助其image-to-mesh技術(shù)，Simpleware三維數(shù)字圖像建模軟件已成為圖像到數(shù)值模型的圖像處理先驅(qū)者，獲得了包括Queens Award for Enterprise in Innovation 2012、Institute of Physics (IOP) Innovation Award 2013在內(nèi)的多個國際獎項，為數(shù)字圖像三維建