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(jì)算機(jī)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(jìn)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(jī)理和損傷防護(hù)。

有限元法是研究人體組織損傷機(jī)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(jì)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(xué)工程、有限元分析等多工業(yè)、多學(xué)科領(lǐng)域的統(tǒng)一解決方案的專業(yè)軟件,它通過對(duì)三維體圖或二維平面序列圖像(CT/MRI/Microscopy)進(jìn)行提取、分割、合并等操作,生成表面重建后的三維圖像,同時(shí)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(jì)算流體力學(xué)軟件的網(wǎng)格文件,并支持導(dǎo)出 NURBS 曲面描述的CAD 模型。

ADINA是國(guó)際上最著名的通用有限元分析軟件之一,ADINA在計(jì)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(duì)結(jié)構(gòu)非線性、流/固耦合等復(fù)雜問題的求解具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì),被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是非線性有限元發(fā)展方向的先導(dǎo),被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的工程仿真計(jì)算,包括土木建筑、交通運(yùn)輸、石油化工、機(jī)械制造、航空航天、汽車、國(guó)防軍工、船舶、生物力學(xué)以及科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。

運(yùn)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(jìn)的網(wǎng)格剖分技術(shù),生成ADINA結(jié)構(gòu)和流體模型。ADINA強(qiáng)大的非線性力學(xué)計(jì)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(dòng)力學(xué)等問題。

Simpleware工作流程圖

腦脊髓的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算

基于MRI圖像,運(yùn)用Simpleware進(jìn)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(dòng)力學(xué)有限元模型。本例中需要計(jì)算腦脊髓的流動(dòng)和循環(huán)系統(tǒng)中腦組織的變形,因此計(jì)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(dòng)動(dòng)力學(xué)模擬:壓力、速度分布

腦積水病人腦部應(yīng)力分布和速度場(chǎng)分布

腦動(dòng)脈瘤的流固耦合計(jì)算

腦動(dòng)脈瘤是動(dòng)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(dòng)脈瘤的破裂會(huì)引起蛛網(wǎng)膜下出血以及嚴(yán)重的并發(fā)癥。因此,在腦動(dòng)脈瘤破裂的分析中,血液動(dòng)力學(xué)發(fā)揮著很重要的作用。下面的例子模擬了血液的流動(dòng)以及流固耦合問題。模型的建立運(yùn)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(yùn)動(dòng)過程都與流固耦合有關(guān)。本例就使用了流固耦合計(jì)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(dòng)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?cè)茍D

主動(dòng)脈瓣的流固耦合模擬

本例使用ADINA建立了主動(dòng)脈根和主動(dòng)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(shí)刻的速度場(chǎng)分布

多孔彈性有限元模型預(yù)測(cè)腰椎間盤的漸進(jìn)破壞

腰椎間盤突出癥是較為常見的疾患之一,主要是因?yàn)檠甸g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(dǎo)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(diǎn)。

本例中使用ADINA進(jìn)行循環(huán)加載,來模擬腰椎間盤漸進(jìn)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(fù)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。