1、中仿Simpleware骨科生物力學實驗解決方案一、 概述隨著骨科生物力學的研究進展，對骨科疾病不論是采用中醫藥還是西醫手術治療都具有相當顯著的進步，生物力學在臨床骨科和基礎研究中的運用不斷提升，整個創傷骨科的進步已延伸出另一個創新領域。骨科手術中采用置換人工假體來取代退化的關節，大大改善過去臨床無法解決的問題并且手術成功率已達相當滿意的結果。此外，骨科新材料、新型內外固定器械的應用都離不開生物力學理論，生物力學分析為臨床應用與研究提供定量標準，利用生物力學測試技術定量計算未知的肌肉或骨關節作用力為臨床治療提供極有價值的信息。骨骼、關節、肌肉等構成的人體運動系統的生物力學作為生物力學與臨床醫學

2、結合最緊密的領域之一，在近些年來得到了較大的發展。在基礎研究領域肌肉骨骼模型的建立，骨的適應性改建，軟骨組織宏觀與微觀分析和實驗研究，肌肉力量的預測，韌帶和肌腱結構關系，功能解剖學、細胞分子力學等均取得了較多的成果。并且這些研究不斷地被應用于臨床實際中，如矯形、植入假體等。二、骨骼力學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，沒有復雜的拓撲和內部結構。用人造骨骼模型來進行力學實驗研究，與實際情況會產生較大的誤差，以致在臨床醫學方面不能廣泛應用。物理實驗分析的缺點：l 模型簡單、理想化l 實驗結果受環境影響大l 實驗結果有效性不足，難以廣泛應用目前，隨著

3、計算機技術的發展，國際上提出利用骨骼掃描圖像進行逆向三維重構建模。利用模型進行模擬計算分析，還能將活動狀態下肌肉、肌腱、韌帶和關節的力進行量化和定量分析，促進了醫學臨床和基礎研究對肌肉-骨骼系統疾病的治療以及創傷和畸形、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、骨骼生物力學仿真實驗研究全球高端解決方案Simpleware上述傳統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打印領域提供世界領先的三維圖像處理、分析以及建模和服務，已在世界范圍內被業界廣泛采用。2013年11月中仿科技公司應邀參加第九次全國整脊學術交流大會，詳

4、細介紹Simpleware軟件，并就Simpleware在骨骼建模及力學仿真分析計算領域的應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掃描數據轉換為計算模型，用于骨骼力學的研究，提供完善的數值計算解決方案。（一）軟件相關模塊簡介Simpleware軟件幫助您全面處理3D圖像數據（MRI，CT，顯微CT，FIB-SEM），并導出適用于CAD、CAE、以及3D印刷的模型。使用圖像處理模塊（ScanIP）對數據進行可視化，分析，量化和處理，并輸出模型或網格。利用有限元模塊（+FE Module）生成CAE網格；

5、利用全新的物理模塊：固體力學模塊（+SOLID Module）、流體分析模塊（+FLOW Module）以及多學科分析模塊（+LAPLACE Module），通過均質化技術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，結合可選模塊，實現FE/CFD網格生成、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：結構力學模塊Ø +FLOW Module：流體分析模塊Ø +LAPLACE Module：多學科分析模塊1、核心圖像處理平臺ScanIPScanIP為3D圖像數據的圖像可視化、測量和處理工具提供了寬泛的選擇。處理后的圖像可導出為STL或點云文件，應用于CAD分析、求解、和3D打印領域。ScanIP為3D圖像數據（MIR，CT，micro-CT，FIB-SEM）的綜合處理提供了軟件環境。軟件為用戶提供了功能強大的數據可視化、分析、分割、以及量化工具。ScanIP易于學習和使用，內置視頻錄制功能，并能基于

7、處理后的數據導出可用于CAD或3D打印的曲面模型/網格。附加模塊可用于通過掃描數據導出CAE網格、整合圖像數據、建模、導出NURBS曲面、計算有效材料屬性的功能。l 優勢Ø 直觀的用戶界面易學易用Ø 生成高質量的多部分STL和曲面模型無需手動修正或重剖網格Ø 腳本自動執行可重復的任務及操作Ø 直接進行圖像到曲面的轉換，曲面輸出及可視化準確、高質量地重構數據l 重要特征圖3-1.2 CT數據提取和可視化Ø 支持導入多種文件格式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、文件導出Ø 綜合測量和統計工具Ø 功能強大的半自動分割工具Ø 確保多部分面網格/STL的一致性2、網格生成模塊+FESimpleware +FE模塊具有強大的基于圖像的網格剖分能力，提供高質量解決方案，將分割后的3D圖像數據轉換為多部分的體積網格，導出并應用于有限元（FE）或計算流體力學（CFD）軟件包。生成的網格具有一致的接口和共享節點，可指定材料屬性、定義接觸、節點集和殼單元，并定義CFD邊界條件，通過減少在其他軟件重劃網格的步驟加快用戶的工作流程。l 優勢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、處理生成復雜的網格完成復雜模型不依賴于高性能計算機Ø 僅取決于圖像質量的拓撲/形態學精確度圖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雜幾何體生成網格Ø 用戶可選擇基本網格或自由網格Ø 根據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 可對感興趣的多結構/區域進行網格劃分圖3-1.4 骨骼模型網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、義的自適應網格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數據轉換的一種途徑，通過創建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，將ROI（regions of interest）感興趣區域，轉換為 NURBS IGES 文件，轉換后可導入至 CAD 軟件中。 優勢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模型的轉換Ø高精度保留幾何及拓撲結構圖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化補片布局

11、根據原始幾何形狀 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數據的轉換Ø NURBS IGES 文件，可導入至 CAD 軟件中4、CAD模塊+CAD模塊與與 ScanIP 模塊緊密結合，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格。在32位或64位Windows平臺支持多處理器進行CAD建模。l 優勢Ø 輕松組合圖像與CAD數據避免在CAD環境中用到圖像Ø 為組合圖像和CAD數據準確生成網格

12、ScanIP 和 +FE 模塊強大的網格算法Ø 為外科手術可變性效應簡化多網格的生成快速，可重復，精確 圖3-1.7骨近端固定骨折后的相對定位+ CAD模塊Ø 設計外科手術指南和范本，闡述支架/微架構完美重現真實場景重要特征Ø將大部分常見CAD文件格式直接導入到三維圖像Ø根據用戶定義提供二維/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部微小結構Ø以STL形式導出組合模型或導入ScanIP 做

13、進一步體網格劃分5、物理模塊物理模塊包括結構力學模塊（+SOLID Module）、流體分析模塊（+FLOW Module）、以及多學科分析模塊（+LAPLACE Module）。物理模塊的主要功能如下：模塊結構力學模塊（+SOLID Module）流體分析模塊（+FLOW Module）多學科分析模塊（+LAPLACE Module）概述計算材料有效剛度張量和彈性模量。調用軟件內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行數值均勻化計算。計算多孔介質滲透率等參數，數值均勻化計算調用軟件內置的Stokes求解器。計算由Laplace方程控制的材料行為對應的有效材料參數，包括但不限于電

14、導率、介電常數、熱傳導系數、擴散系數等。采用軟件內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行數值均勻化計算。核心功能 計算有效剛度張量/彈性模量 內置有限元求解器 多相材料模型構建 快速半解析法評估 可視化變形、應力應變 計算多孔介質滲透率 內置有限元求解器 可視化速度場和壓力場 計算有效電導率和介電常數 計算熱傳導系數 計算擴散系數 內置有限元求解器 快速半解析法評估 可視化場分布特性結構力學模塊（+SOLID Module）流體分析模塊（+FLOW Module）多學科分析模塊（+LAPLACE Module）生成高質量的體網格（Hex/Tet或Tet）灰度值材料映射計算有效彈性

15、參數計算滲透率系數計算電參數和熱參數可視化有限元模擬結果 優勢Ø 穩定而有效的均質化方法復合材料的簡化分析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 在多種預定義邊界條件中進行選擇基于標準設計進行分析，節約時間Ø 高質量數據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 的導電性、透氣性、導熱性和分子擴散 與同事分享和探討仿真結果Ø 腳本自動重復任務和操作l 重要特征Ø 計算有效彈塑性特性（結構模塊）、絕對滲透率（流體模塊）、電導率和介電常數、導熱系數和分子擴散系數（拉普拉斯模塊）Ø

16、可在完整的基于有限元的均質化方法和快速半解析法之間進行選擇（僅適用于結構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（結構模塊）、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 計算結果可導出為text或VTK格式文件（二）Simpleware軟件在骨骼力學研究領域的應用Simpleware軟件骨骼建模及力學仿真計算目前在世界上已經被廣泛應用。極大促進了骨骼研究和臨床醫學的發展。2009年10月中仿科技應邀參第九屆全國生物力學學術會議。詳細地介紹了Simpleware軟件，并就Simplewar

17、e軟件在骨骼力學域的應用做詳細介紹及案例操作。如人體脛骨平臺受力研究、頸椎建模及應力應變分析等。l 全頸椎三維有限元模型的構建與分析利用Simpleware軟件構建全頸椎三維有限元模型,在ANSYS中模擬前屈、后伸、側彎和軸向旋轉工況下頸椎的生物力學性能。1.輸入CT掃描圖像圖3-2.1頸椎CT掃描圖像2、重構頸椎幾何模型：基于CT斷層掃描圖像，在中仿醫學圖像處理軟件Simpleware中利用Thresholding工具進行閥值分析、區域增長，得到CT圖像骨區以彩色填充的數據集表示，對不完整的邊界模糊的顯色區域，使用圖像閉合工具和遞歸高斯過濾器進行調整，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3-2.2三維重構的幾何模型3、有限元模型的建立：利用網格模塊將整個椎體劃分成前方椎體與后方骨性單元。再按照線面網格再體網格的順序，運用網格偏置和共用面網格的方法構建椎體有限元網格模型并設置椎體各部分材料屬性。圖3-2.3頸椎C17椎體有限元網格模型4、將模型導入到ADINA軟件中進行模擬計算圖3-2.4椎間盤應力云圖l 短節段腰椎椎弓根螺釘內固定系統的三維有限元模型建立及應力分析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、利用網格模塊生成有限元網格模型圖3-2.6螺釘固定的腰椎有限元網格模型3、導入到ADINA軟件中進行模擬計算圖3-2.7腰椎各

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