骨科醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的仿真應(yīng)用

      有道是隔行如隔山，小編身處制造業(yè)領(lǐng)域，關(guān)注的內(nèi)容大都是跟制造業(yè)企業(yè)、領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)等方面的內(nèi)容，很少將視野投向別的行業(yè)。但是在內(nèi)卷化的大背景下，如何更好的發(fā)掘CAE這塊業(yè)務(wù)的覆蓋面，也是我們業(yè)內(nèi)同行共同面對(duì)的問題。以前的文章有聊過CAE工程師尤其是像動(dòng)力學(xué)、流體方面的工程師其實(shí)在電影制作后期也是有用武之地的，算法渲染、動(dòng)力學(xué)仿真、爆破模擬等等諸如此類的物理仿真與CAE有一些共性內(nèi)容。

      最近小編看到幾篇文章介紹CAE在生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，借此跟大家簡單的交流交流，因?yàn)榧儗偻庑校圆蛔阒幘凑?qǐng)指正。

      在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其是骨科方面，有限元仿真技術(shù)應(yīng)用還是非常的廣泛的，很多的醫(yī)學(xué)生不僅僅是醫(yī)生，其實(shí)還身兼工程師的角色。因?yàn)楣强剖俏覀兩眢w最主要的受力組織，研究它們的力學(xué)性能以及受到外部激勵(lì)作用產(chǎn)生的反應(yīng)對(duì)于相關(guān)手術(shù)方案制定、假體設(shè)計(jì)以及一些機(jī)理研究等等方面有重要的作用。向我們身體內(nèi)的腰椎、脊柱、牙齒等骨骼類組織，均存在不同的力學(xué)作用關(guān)系。

      不同脊柱段之間有不同的組織和連接關(guān)系，同時(shí)又牽扯一些復(fù)雜的自由度約束，人體在受到外部負(fù)載、沖擊等作用主要是由這些相關(guān)的骨骼類結(jié)構(gòu)來負(fù)擔(dān)。

      目前針對(duì)該領(lǐng)域開展CAE仿真主要有幾個(gè)環(huán)節(jié)，首先是CT掃描實(shí)現(xiàn)幾何建模，然后是網(wǎng)格劃分利用專業(yè)的有限元仿真工具實(shí)現(xiàn)力學(xué)仿真，如下圖-2所示（參考論文）。其中針對(duì)CT掃描的數(shù)據(jù)處理主要依賴于現(xiàn)有的一些圖形學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)三維重建，基本是采用VTK軟件開發(fā)包實(shí)現(xiàn)。目前該領(lǐng)域常見的三維重建軟件有Simpleware ScanIP、Mimics等，其目的主要是實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)及面片結(jié)構(gòu)生成，獲得stl數(shù)據(jù)。

      當(dāng)我們獲得stl數(shù)據(jù)之后，比如利用Hypermesh實(shí)現(xiàn)三維網(wǎng)格的劃分獲得網(wǎng)格模型，下圖是獲得網(wǎng)格模型之后的結(jié)果。之后根據(jù)相應(yīng)的工況要求實(shí)現(xiàn)有限元計(jì)算求解設(shè)置（如站立、前屈、后伸等）。

      最后，我們可以回顧一下整個(gè)過程其實(shí)涉及到非常多前沿的技術(shù)問題。從CT掃描實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的檢測(cè)識(shí)別到三維重構(gòu)，這里涉及到非常多的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)內(nèi)容，能夠結(jié)合時(shí)下熱門的人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)方面的技術(shù)做深入的應(yīng)用。而在網(wǎng)格化方面，也涉及到很多的網(wǎng)格算法處理技術(shù)，再到后續(xù)的計(jì)算求解，有生物力學(xué)領(lǐng)域、非線性有限元等方面的內(nèi)容。從上面的例子可以看出，跨學(xué)科跨領(lǐng)域研究越來越是未來科技發(fā)展的趨勢(shì)，尤其是在計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)以及一些傳統(tǒng)學(xué)科之間的合作越來越明顯。最后祝愿大家又紅又專，又專又廣。

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