人體組織三維建模技術與有限元仿生

因為計算機程度和軟件本領的快速提升，數(shù)值模仿技術獲得較大的進展。人們已然開發(fā)出頭部、大腦和血管等模型來研發(fā)頭部傷害機理和傷害防護。

有限元法是研發(fā)人體組織傷害機理的首要方式，因為人體組織構造的高難性，怎樣創(chuàng)建高生物仿生度的有限元模型是有限元計算中必需處理的主要問題；其次，怎樣處理數(shù)值模仿中的高度非線性、流固耦合問題，是有限元模仿的要害。

Mimics與ANSYS聯(lián)合仿生技術

Mimics軟件是一套集成逆向工程、原料工程、生物力學工程、有限元解析等 多產(chǎn)業(yè)、多學科行業(yè)的統(tǒng)一處理計劃的專業(yè)軟件,它通過對三維體圖或二維平面序列圖片(CT/MRI)進行提煉、分隔、歸并等操控,形成外表重建后的三維圖片。

ANSYS是國際上最馳名的通用有限元解析軟件之一，在計算理論和求解問題的全面性方面處于世界領先的地位，特別對于構造非線性、流/固耦合等高難問題的求解擁有強力優(yōu)勢，被業(yè)內人士認定是非線性有限元成長方向的先導，被全面運用于逐個產(chǎn)業(yè)行業(yè)的工程仿生計算，含蓋土木建筑、交通運輸、石油化工、機器生產(chǎn)、航空航天、車輛、國防軍工、船舶、生物力學并且科學研發(fā)等逐個行業(yè)。

應用Mimics與ANSYS聯(lián)合仿生技術，能夠將人體組織的CT/MRI二維斷層掃描

信息創(chuàng)立三維模型。ANSYS強力的非線性力學計算性能和流固耦合求解本領，高效并準確的模仿組織應力、應變、傳熱、流體動力學等問題。

解析工作過程圖

血管的流體動力學計算

基于MRI圖片，應用Mimics進行三維模型重建，并創(chuàng)建了血管三維流體動力學有限元模型。本例中須要計算血管的流速、流壓，因而計算中須要調用ANSYS中的Fluent來求解。

從MR圖片到三維有限元模型

模仿的腦脊髓流動動力學模仿：壓力、速率散布

腦積水病人腦部應力散布和速率場散布

腦動脈瘤的流固耦總計算

腦動脈瘤是動脈病態(tài)的膨脹，通常發(fā)掘于韋利斯氏環(huán)的前部和后部。腦動脈瘤的爆裂會引發(fā)蛛網(wǎng)膜下出血并且嚴重的并發(fā)癥。因而，在腦動脈瘤爆裂的解析中，血液動力學闡揚著很首要的功效。以下的例子模仿了血液的流動并且流固耦合問題。模型的創(chuàng)建應用了三維圖片解決技術，并選用ANSYS Fluent中的非牛頓不能壓縮流體、流固耦合求解器。

圖示分別為血液壓力散布、組織剪切應力、有效應力、位移散布

心臟的流固耦合模仿

大多數(shù)的生物組織運動流程都與流固耦合相關。本例就應用了流固耦總計算方式，模仿了某位病人左右心房和膜片的模型，目標是拿來優(yōu)化心臟肺動脈瓣的內科手術。

心臟的主應力和主應變云圖

被動脈瓣的流固耦合模仿

本例應用ANSYS創(chuàng)建了被動脈根和被動脈瓣的二維平面應變模型，弱可壓縮流體，并在通道給定14mmHg的壓力。

不同時刻的速率場散布

多孔彈性有限元模型預判腰椎間盤的漸進毀壞

腰椎間盤凸顯癥是比較常見的疾患之一，首要是由于腰椎間盤各部份（髓核、纖維環(huán)及軟骨板），特別是髓核，有不同水平的退行性變化后，在外力原因的功效下，椎間盤的纖維環(huán)爆裂，髓核組織從爆裂之處凸顯（或脫出）于前方或椎管內，造成相鄰脊神經(jīng)根遭遇刺激或壓迫，進而構成腰部疼痛，一側下肢或雙下肢麻木、疼痛等一系列臨床病癥。腰椎間盤高難的模型創(chuàng)建，是有限元解析的重點。

本例中應用ANSYS進行循環(huán)加載，來模仿腰椎間盤漸進毀壞。模仿的結果能夠拿來研發(fā)怎樣以免因為反復的負重而引發(fā)的疼痛。

應用多孔介質原料來模仿椎間盤，以及參考固相和液相。下圖為腰椎間盤的有限元模型。

腰椎間盤網(wǎng)格圖

1個循環(huán)加載后，各部位所受的力與時間的聯(lián)系如下圖所示。

受力與時間的聯(lián)系

同時，咱們也能獲取在不同加載力和循環(huán)次數(shù)前提下的椎間盤有效應力云圖。

有效應力云圖