(本文是自己的一些看法或經驗,主要針對初學者.如果你是高手,歡迎指點.)
1. 數據獲取
這里的數據主要是指MRI或CT圖像.病人的圖像可以從臨床中獲得,動物的圖像可以從非臨床中獲得.
由于MRI或CT用不同的灰度(grayscale or Hounsfield Units)記載了不同的生物組織,原則上可以重建三維的生物結構.
相關圖像瀏覽與編輯軟件:Radpix, CT/MR viewer.
2. 數據圖像分割(segmentation)
將解剖圖像數據(MRI或CT)轉化為3D模型的過程叫做數據圖像分割(segmentation).這一步非常關鍵.
分割的方法分為自動或手動.手動主要針對分界線模糊的軟組織如肌肉.自動分割的方法有: Threshold, Region Growing and Dynamic Region Growing).
通過分割得到3D模型格式一般為STL (Triangulated surface mesh file:三角形表面網格文件)(也可以保存成其他格式如IGES).STL文件可以很方便導入到其他CAD或有限元軟件中進行設計與分析.
與分割相關的軟件有:Mimics, Analyze, MATLAB, Interachive Data Language, 3D Slicer.
本人推薦使用Mimics或3D Slicer(免費).
(下面介紹得到3D幾何模型后的應用分析)
3. 計算機輔助設計(CAD)
將IGES或STL文件導入CAD文件可以進行設計分析. Mimics中也有專門的CAD模塊.
相關軟件有:AutoCAD,IDES,ProE,Solidworks,UG NX等.
4. 快速成型或制造(Rapid Prototyping-RP, Rapid Manufacturing)
STL文件是快速成型機器和3D打印機的通用格式文件.通過將STL文件導入快速成型機器或3D打印機,可以很快得到生物結構的實體模型.如頭顱,盆骨等.
Mimics中有專門的RP模塊.
相關軟件有:Mimics,ProE,LYMB(GE)等.
5. 計算機輔助工程(CAE)
CAE幫助工程師進行仿真設計與分析,主要包括有限元分析(Finite Element Analysis-FEA)和計算流體動力學(Computational fluid dynamics-CFD).FEA包括應力,應變分析等;CFD可以仿真血液流動的分析.
相關的軟件有: Mimics(網格劃分與預處理), HyperMesh(網格劃分),Ansys(求解器),Abaqus(求解器), Fluent(流體分析)等等.
6. 手術模擬(Surgical simulation)
手術模擬起到了醫生和工程師的橋梁作用.通常的手術操作包括:剪,移動,重新定位,重構.在得到了3D模型之后,這些操作都可以在相關軟件中進行模擬分析.
相關的軟件有: Mimics, SurgiCase等.
(最后專門介紹FEA的流程)
7.有限元分析流程
A.建立幾何模型(Geometric Model and Mesh)
可以通過圖像分割技術得到3D幾何模型,同時利用相關軟件進行網格的劃分. (Mimics, 3D slicer, Hypermesh)
B.確定邊界條件(Boundary Condition)
邊界條件傳統意義上一般包含:加載的力,初始的位置,物體的空間邊界等.(Hypermesh, Ansys, Abaqus)
C.選擇本構模型(Constitutive Model)
本構模型一本包含linear elasticity, nonlinear, visco-elasticity等等.(Hypermesh, Ansys, Abaqus)
D.輸入材料性質參數
材料的性質參數可以通過實驗或查找文獻獲取.(Hypermesh, Ansys, Abaqus)
E.進行仿真分析與結果查看
(Ansys, Abaqus等)