骨科醫學領域的仿真應用

      有道是隔行如隔山，小編身處制造業領域，關注的內容大都是跟制造業企業、領域內技術等方面的內容，很少將視野投向別的行業。但是在內卷化的大背景下，如何更好的發掘CAE這塊業務的覆蓋面，也是我們業內同行共同面對的問題。以前的文章有聊過CAE工程師尤其是像動力學、流體方面的工程師其實在電影制作后期也是有用武之地的，算法渲染、動力學仿真、爆破模擬等等諸如此類的物理仿真與CAE有一些共性內容。

      最近小編看到幾篇文章介紹CAE在生物力學、醫學方面的應用，借此跟大家簡單的交流交流，因為純屬外行，所以不足之處敬請指正。

      在醫學領域尤其是骨科方面，有限元仿真技術應用還是非常的廣泛的，很多的醫學生不僅僅是醫生，其實還身兼工程師的角色。因為骨科是我們身體最主要的受力組織，研究它們的力學性能以及受到外部激勵作用產生的反應對于相關手術方案制定、假體設計以及一些機理研究等等方面有重要的作用。向我們身體內的腰椎、脊柱、牙齒等骨骼類組織，均存在不同的力學作用關系。

      不同脊柱段之間有不同的組織和連接關系，同時又牽扯一些復雜的自由度約束，人體在受到外部負載、沖擊等作用主要是由這些相關的骨骼類結構來負擔。

      目前針對該領域開展CAE仿真主要有幾個環節，首先是CT掃描實現幾何建模，然后是網格劃分利用專業的有限元仿真工具實現力學仿真，如下圖-2所示（參考論文）。其中針對CT掃描的數據處理主要依賴于現有的一些圖形學軟件實現三維重建，基本是采用VTK軟件開發包實現。目前該領域常見的三維重建軟件有Simpleware ScanIP、Mimics等，其目的主要是實現三維重構及面片結構生成，獲得stl數據。

      當我們獲得stl數據之后，比如利用Hypermesh實現三維網格的劃分獲得網格模型，下圖是獲得網格模型之后的結果。之后根據相應的工況要求實現有限元計算求解設置（如站立、前屈、后伸等）。

      最后，我們可以回顧一下整個過程其實涉及到非常多前沿的技術問題。從CT掃描實現圖像數據的檢測識別到三維重構，這里涉及到非常多的計算機圖形學內容，能夠結合時下熱門的人工智能、機器學習方面的技術做深入的應用。而在網格化方面，也涉及到很多的網格算法處理技術，再到后續的計算求解，有生物力學領域、非線性有限元等方面的內容。從上面的例子可以看出，跨學科跨領域研究越來越是未來科技發展的趨勢，尤其是在計算機、生物醫學以及一些傳統學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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