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fanguofan 发表于 2006-9-20 22:40

mimics 在有限元中的应用指南

摘要：本文主要介绍了利用断层扫描图像进行三维重建，然后对三维模型赋予材质，进行有限元分析的全过程。其中对三维重建和材质分配做了详细的介绍。

关键词：有限元 CT MRI

引言



目前国内对人体组织进行有限元分析，要解决的问题很多，其中有两个重要的部分，分别是如何得到组织结构模型，另外一个就是如何对组织赋予材质。由于人体的生物结构复杂，所以很多结构不能用CAD软件进行三维建模。众所周知，当前的有限元前处理软件，在赋材质时，不能有效的针对人体结构赋予不同的材质，赋予的材质不能很好的体现人体的组织的材料属性。本文接下来会着重论述这两个问题的解决方案。

基于断层扫描图像的FEA模型



对人体组织进行有限元分析，首先要解决的是模型的问题，因为后续的工作都是基于这个模型进行的。CT/MRI技术已经比较成熟，同时应用非常广泛。因此可以利用断层扫描图形进行三维重建，得到需要分析的组织的三维模型。比利时Materialise公司的Mimics软件提供了强大的三维重建功能，同时对系统的要求不高，可以在一般PC机上运行。并且三维重建的速度快，可以根据需要调节三维重建的精度。为了得到精确的三维模型，对扫描的图像有一定的要求，图像的分辨率最好达到512×512，扫描间距小于1mm。图1为利用断层扫描图像得到的三维模型，具体的重建过程，可以参见参考文献1。




图表 1

三维模型的面网格优化



不同的有限元分析软件对网格的质量有不同的要求，衡量网格质量的标准也有很多种。针对基于断层扫描图片生成的面网格模型，在Mimics里几乎提供了所有的衡量标准，用来检测面模型网格的质量。面网格的单元为三角片，使用这种网格表达三维模型相对简单，并且针对这样的网格单元进行操作也很简单。图2为对面网格单元质量的检测，使用的标准是三角形的高比上边长（H/B）。设定的值为0.3，图中着色的三角片是质量小于这个值的三角片。并且，还有统计工具显示质量达不到这个要求的三角有980个，占6％。










图2网格重划前质量检测直方图

图2中的模型，如果直接用来进行体网格划分，并用于有限元软件计算，三维网格单元的质量也不能得到保证，最重要的是计算的时间会加长，并且计算的结果可信度差。图3为使用Mimics的网格重划工具优化的模型，通过比较可以发现，低于质量标准的三角面单元已经全部去除。









图表 3网格重划后的质量检测直方图

体网格的划分



面网格经过优化的模型，可以使用多种接口被输出为当前通用有限元前处理软件可以读入的文件。目前可以输出的有限元前处理软件文件格式有Patran、Ansys、Abaqus、Fluent、Nastran，这些软件可以直接读入Mimics输出的相应文件。这些软件的前处理软件将面网格文件读入后，由于面网格的质量高，所以可以快速进行体网格划分。Mimics可以读入相应的体网格文件，进行后续的赋予材质的工作，图4为导入的体网格文件后的断面图。同时可以使用2D图检查体网格的质量。




图表 4将体网格导回Mimics

赋材质



对模型赋材质是有限元前处理的重要一步，因为这会直接影响到后面的求解过程是否准确，分析的结果是否可信。传统的有限元分析软件的前处理软件很难对人体组织进行有效的材质分配，原因是人体组织的材质分布不是均质的、线性的。比如一般的骨组织由外到内大体上分别是骨密质、骨松质和骨髓，它们的过渡也是没有办法使用常规软件进行分割的。Mimics可以很好的解决这一问题，其赋材质的主要依据是扫描图像的灰度值。将图像的灰度值与材料的属性建立函数关系，从而非常准确的给不同的单元赋予不同的材质，如图5所示，不同的颜色代表不同的材料。




图表 5通过灰度值赋材料

结论



使用Mimics可以快捷的基于断层扫描图片得到三维模型，继而将模型输出给第三方有限元前处理软件进行体网格划分。将体网格文件导回Mimics，基于图像的灰度值，对模型赋材质。带有材料属性的模型可以重新被输出到第三方有限元前处理软件中，加载荷和边界条件，用于有限元分析。

因此使用这种方法就可以很好的解决人体组织有限元分析的模型问题，赋材质问题，再配合当前通用的有限元分析软件，就可以很好的开展这方面的研究。

参考文献：

胡发宗 陈建 断层扫描图像的三维重建及快速原型制造

fanguofan 发表于 2006-9-20 22:42

图表列表

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fanguofan 发表于 2006-9-20 22:46

图表

图表3-4

fanguofan 发表于 2006-9-20 23:08

图表列表

图表5-6

pig_he 发表于 2006-9-21 15:43

mimics博客上有更多内容！

rock_who 发表于 2006-9-22 08:18

[quote]原帖由 [i]pig_he[/i] 于 2006-9-21 15:43 发表
mimics博客上有更多内容！ [/quote]
是的，Mimics博客的具体地址是[url]http://mimics.blog.sohu.com[/url]。

qiaomai 发表于 2007-3-19 10:47

对于我这初学者，太有帮助了，谢谢

rhc52 发表于 2008-5-4 22:10

谢谢 ！！！高手指点！

czsmart 发表于 2008-5-5 20:37

回复 1# 的帖子

谢谢，实施过程还是很难呀:D

haha0531 发表于 2008-8-7 09:25

有许多东东需要在实践中思考和摸索呀 请教各位高手，多种面网格衡量标准对应的网格重画是否交替使用呢，怎样达到最佳的优化结果？

irene_ml 发表于 2008-11-19 12:34

好东西

谢谢。

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