人體組織三維建模技術(shù)與有限元仿生
因?yàn)橛?jì)算機(jī)程度和軟件本領(lǐng)的快速提升，數(shù)值模仿技術(shù)獲得較大的進(jìn)展。人們已然開發(fā)出頭部、大腦和血管等模型來(lái)研發(fā)頭部傷害機(jī)理和傷害防護(hù)。
有限元法是研發(fā)人體組織傷害機(jī)理的首要方式，因?yàn)槿梭w組織構(gòu)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(jì)算中必需處理的主要問(wèn)題；其次，怎樣處理數(shù)值模仿中的高度非線性、流固耦合問(wèn)題，是有限元模仿的要害。
Mimics與ANSYS聯(lián)合仿生技術(shù)
Mimics軟件是一套集成逆向工程、原料工程、生物力學(xué)工程、有限元解析等 多產(chǎn)業(yè)、多學(xué)科行業(yè)的統(tǒng)一處理計(jì)劃的專業(yè)軟件,它通過(guò)對(duì)三維體圖或二維平面序列圖片(CT/MRI)進(jìn)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(guó)際上最馳名的通用有限元解析軟件之一，在計(jì)算理論和求解問(wèn)題的全面性方面處于世界領(lǐng)先的地位，特別對(duì)于構(gòu)造非線性、流/固耦合等高難問(wèn)題的求解擁有強(qiáng)力優(yōu)勢(shì)，被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)定是非線性有限元成長(zhǎng)方向的先導(dǎo)，被全面運(yùn)用于逐個(gè)產(chǎn)業(yè)行業(yè)的工程仿生計(jì)算，含蓋土木建筑、交通運(yùn)輸、石油化工、機(jī)器生產(chǎn)、航空航天、車輛、國(guó)防軍工、船舶、生物力學(xué)并且科學(xué)研發(fā)等逐個(gè)行業(yè)。
應(yīng)用Mimics與ANSYS聯(lián)合仿生技術(shù)，能夠?qū)⑷梭w組織的CT/MRI二維斷層掃描
信息創(chuàng)立三維模型。ANSYS強(qiáng)力的非線性力學(xué)計(jì)算性能和流固耦合求解本領(lǐng)，高效并準(zhǔn)確的模仿組織應(yīng)力、應(yīng)變、傳熱、流體動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題。
解析工作過(guò)程圖
血管的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算
基于MRI圖片，應(yīng)用Mimics進(jìn)行三維模型重建，并創(chuàng)建了血管三維流體動(dòng)力學(xué)有限元模型。本例中須要計(jì)算血管的流速、流壓，因而計(jì)算中須要調(diào)用ANSYS中的Fluent來(lái)求解。
從MR圖片到三維有限元模型
模仿的腦脊髓流動(dòng)動(dòng)力學(xué)模仿：壓力、速率散布
腦積水病人腦部應(yīng)力散布和速率場(chǎng)散布
腦動(dòng)脈瘤的流固耦總計(jì)算
腦動(dòng)脈瘤是動(dòng)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(dòng)脈瘤的爆裂會(huì)引發(fā)蛛網(wǎng)膜下出血并且嚴(yán)重的并發(fā)癥。因而，在腦動(dòng)脈瘤爆裂的解析中，血液動(dòng)力學(xué)闡揚(yáng)著很首要的功效。以下的例子模仿了血液的流動(dòng)并且流固耦合問(wèn)題。模型的創(chuàng)建應(yīng)用了三維圖片解決技術(shù)，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(yīng)力、有效應(yīng)力、位移散布
心臟的流固耦合模仿
大多數(shù)的生物組織運(yùn)動(dòng)流程都與流固耦合相關(guān)。本例就應(yīng)用了流固耦總計(jì)算方式，模仿了某位病人左右心房和膜片的模型，目標(biāo)是拿來(lái)優(yōu)化心臟肺動(dòng)脈瓣的內(nèi)科手術(shù)。
心臟的主應(yīng)力和主應(yīng)變?cè)茍D
被動(dòng)脈瓣的流固耦合模仿
本例應(yīng)用ANSYS創(chuàng)建了被動(dòng)脈根和被動(dòng)脈瓣的二維平面應(yīng)變模型，弱可壓縮流體，并在通道給定14mmHg的壓力。
不同時(shí)刻的速率場(chǎng)散布
多孔彈性有限元模型預(yù)判腰椎間盤的漸進(jìn)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(nèi)，造成相鄰脊神經(jīng)根遭遇刺激或壓迫，進(jìn)而構(gòu)成腰部疼痛，一側(cè)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(diǎn)。
本例中應(yīng)用ANSYS進(jìn)行循環(huán)加載，來(lái)模仿腰椎間盤漸進(jìn)毀壞。模仿的結(jié)果能夠拿來(lái)研發(fā)怎樣以免因?yàn)榉磸?fù)的負(fù)重而引發(fā)的疼痛。
應(yīng)用多孔介質(zhì)原料來(lái)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(gè)循環(huán)加載后，各部位所受的力與時(shí)間的聯(lián)系如下圖所示。
受力與時(shí)間的聯(lián)系
同時(shí)，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(yīng)力云圖。
有效應(yīng)力云圖
