浅谈医学或生物组织建模与分析流程

(本文是自己的一些看法或经验,主要针对初学者.如果你是高手,欢迎指点.)
1. 数据获取
这里的数据主要是指MRI或CT图像.病人的图像可以从临床中获得,动物的图像可以从非临床中获得.
由于MRI或CT用不同的灰度(grayscale or Hounsfield Units)记载了不同的生物组织,原则上可以重建三维的生物结构.
相关图像浏览与编辑软件:Radpix, CT/MR viewer.
2. 数据图像分割(segmentation)
将解剖图像数据(MRI或CT)转化为3D模型的过程叫做数据图像分割(segmentation).这一步非常关键.
分割的方法分为自动或手动.手动主要针对分界线模糊的软组织如肌肉.自动分割的方法有: Threshold, Region Growing and Dynamic Region Growing).
通过分割得到3D模型格式一般为STL (Triangulated surface mesh file:三角形表面网格文件)(也可以保存成其他格式如IGES).STL文件可以很方便导入到其他CAD或有限元软件中进行设计与分析.
与分割相关的软件有:Mimics, Analyze, MATLAB, Interachive Data Language, 3D Slicer.
本人推荐使用Mimics或3D Slicer(免费).
(下面介绍得到3D几何模型后的应用分析)
3. 计算机辅助设计(CAD)
将IGES或STL文件导入CAD文件可以进行设计分析. Mimics中也有专门的CAD模块.
相关软件有:AutoCAD,IDES,ProE,Solidworks,UG NX等.
4. 快速成型或制造(Rapid Prototyping-RP, Rapid Manufacturing)
STL文件是快速成型机器和3D打印机的通用格式文件.通过将STL文件导入快速成型机器或3D打印机,可以很快得到生物结构的实体模型.如头颅,盆骨等.
Mimics中有专门的RP模块.
相关软件有:Mimics,ProE,LYMB(GE)等.
5. 计算机辅助工程(CAE)
CAE帮助工程师进行仿真设计与分析,主要包括有限元分析(Finite Element Analysis-FEA)和计算流体动力学(Computational fluid dynamics-CFD).FEA包括应力,应变分析等;CFD可以仿真血液流动的分析.
相关的软件有: Mimics(网格划分与预处理), HyperMesh(网格划分),Ansys(求解器),Abaqus(求解器), Fluent(流体分析)等等.
6. 手术模拟(Surgical simulation)
手术模拟起到了医生和工程师的桥梁作用.通常的手术操作包括:剪,移动,重新定位,重构.在得到了3D模型之后,这些操作都可以在相关软件中进行模拟分析.
相关的软件有: Mimics, SurgiCase等.
(最后专门介绍FEA的流程)
7.有限元分析流程
A.建立几何模型(Geometric Model and Mesh)
可以通过图像分割技术得到3D几何模型,同时利用相关软件进行网格的划分. (Mimics, 3D slicer, Hypermesh)
B.确定边界条件(Boundary Condition)
边界条件传统意义上一般包含:加载的力,初始的位置,物体的空间边界等.(Hypermesh, Ansys, Abaqus)
C.选择本构模型(Constitutive Model)
本构模型一本包含linear elasticity, nonlinear, visco-elasticity等等.(Hypermesh, Ansys, Abaqus)
D.输入材料性质参数
材料的性质参数可以通过实验或查找文献获取.(Hypermesh, Ansys, Abaqus)
E.进行仿真分析与结果查看
(Ansys, Abaqus等)