医学类骨科领域的仿真介绍

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以下文章来源于CAE仿真空间，作者米条

有道是隔行如隔山，小编身处制造业领域，关注的内容大都是跟制造业企业、领域内技术等方面的内容，很少将视野投向别的行业。但是在内卷化的大背景下，如何更好的发掘CAE这块业务的覆盖面，也是我们业内同行共同面对的问题。

以前的文章有聊过CAE工程师尤其是像动力学、流体方面的工程师其实在电影制作后期也是有用武之地的，算法渲染、动力学仿真、爆破模拟等等诸如此类的物理仿真与CAE有一些共性内容。

最近小编看到几篇文章介绍CAE在生物力学、医学方面的应用，借此跟大家简单的交流交流，因为纯属外行，所以不足之处敬请指正。

在医学领域尤其是骨科方面，有限元仿真技术应用还是非常的广泛的，很多的医学生不仅仅是医生，其实还身兼工程师的角色。因为骨科是我们身体最主要的受力组织，研究它们的力学性能以及受到外部激励作用产生的反应对于相关手术方案制定、假体设计以及一些机理研究等等方面有重要的作用。向我们身体内的腰椎、脊柱、牙齿等骨骼类组织，均存在不同的力学作用关系。

我们先看几组脊柱模型图（图-1），对脊柱三维模型有一些直观的认识。不同脊柱段之间有不同的组织和连接关系，同时又牵扯一些复杂的自由度约束，人体在受到外部负载、冲击等作用主要是由这些相关的骨骼类结构来负担。

图-1 脊柱三维示意图

目前针对该领域开展CAE仿真主要有几个环节，首先是CT扫描实现几何建模，然后是网格划分利用专业的有限元仿真工具实现力学仿真，如下图-2所示（参考论文）。其中针对CT扫描的数据处理主要依赖于现有的一些图形学软件实现三维重建，基本是采用VTK软件开发包实现（参考往期文章：用python实现inp文件与图形可视化数据文件的转换）。目前该领域常见的三维重建软件有Simpleware ScanIP、Mimics等，如图-3所示为Simpleware软件的处理界面效果，其目的主要是实现三维重构（图-4）及面片结构生成，获得stl数据。

图-2 技术路线图

图-3 Simpleware几何数据处理界面

图-4 三维重构模型

当我们获得stl数据之后，可参考以往文章的介绍（STL文件，一种前处理网格划分技术？？），比如利用Hypermesh实现三维网格的划分获得网格模型，下图是获得网格模型之后的结果（图-5）。之后根据相应的工况要求实现有限元计算求解设置（如站立、前屈、后伸等），结果云图如图-6所示。

图-5 网格模型

图-6 仿真结果云图

最后，我们可以回顾一下整个过程其实涉及到非常多前沿的技术问题。从CT扫描实现图像数据的检测识别到三维重构，这里涉及到非常多的计算机图形学内容，能够结合时下热门的人工智能、机器学习方面的技术做深入的应用。而在网格化方面，也涉及到很多的网格算法处理技术，再到后续的计算求解，有生物力学领域、非线性有限元等方面的内容。从上面的例子可以看出，跨学科跨领域研究越来越是未来科技发展的趋势，尤其是在计算机、生物医学以及一些传统学科之间的合作越来越明显。最后祝愿大家又红又专，又专又广。