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医学人骨三维有限元分析的研究进展

发布于:2016-04-13 22:39
有限元分析

      有限元分析的基本原理是根据几何外形、材料特性以及受力条件等因素将弹性物体离散为有限的体单元,这些体单元只在有限个节点上相交接,力通过结点传递,导致每个体单元的变形、任意体单元或节点的应力分布可通过多种简单的方程式来求解。常等商业App对骨骼进行有限元分析,具有高精度、低成本、零风险、可重复的优点,迄今国内外诸多学者从不同应用目的对此进行了大量研究,其有效性、优越性已在基础试验及临床应用中得到充分证明。去软组织的人骨有限元分析是其他复杂类型有限元分析的基础,然而,即使是试验条件颇为单一的去软组织人骨有限元分析,其实践过程、条件设置、结果评判及临床应用等方面仍未能形成统一标准。
      该研究针对去软组织人骨的有限元分析进行综述,旨在对三维重建技术及有限元分析在骨骼力学研究的一般过程及实际应用进行归纳,总结磁共振成像以无创手段对人体进行三维重建,针对人骨的有限元分析大体上包括扫描、三维重建、体网格划分、赋予材料属性、有限元分析等基本步骤。
      医学三维重建App的基本原理,是以叠加的方式对扫描之格式图像进行三维重建,三维模型由多层面曲线构成,每一层面曲线都是由大量规则、不规则的自由曲线构成,重建质量差的三维模型在有限元分析中缺乏相应的方程式描述,任何细微的重建错误都会使运算量呈几何级增加,甚至导致运算失败,三维重建的每一步骤,图像编辑。重建三维模型。表面光滑处理等,都会影响三维模型质量,在很大程度上决定有限元分析与真实的接近程度。受限于图像的信噪比和空间分辨率,软组织三维重建效果仍难以令人满意,仍然无法对肌腱、肌肉等软组织进行良好的三维重建,此外,软组织的力学性能存在人种差异、个体差异、生理状态及运动状态的差异,其材料属性往往难以通过试验手段进行界定,涵括复合组织在内的人骨有限元分析迄今仍难以实现体单元划分。
      任何复杂的弹性物体均由无限个质点组成,具有无限个自由度,从而不能求解,而有限元分析法可根据试验要求不同,将弹性物体分解成不同类型、一定数量的体单元,实现从无限到有限的转变,从而达到求解的目的。基于三维重建后模型的形状,可自动化对骨骼三维模型进行体网格划分,一般所得体单元数量多在几万、十几万个甚至更多,一般可以达到有限元分析的需要,特定目的之研究如骨小梁有限元分析的高分辨率。小梁骨微有限元模型可有数十万个单元,其求解需要专用高效的方法及多台计算机并行处理来分析。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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