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Mimics案例应用

利用Mimics优化支架设计和进行数值模拟
 
　　虚拟验证对新医疗设备的设计和开发日益重要，例如支架的开发。Mimics为虚拟验证提供了强大的武器——计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA)。利用它可以获得精确的装置和解剖几何体信息。
支架是金属的管状结构，可用于动脉狭窄或动脉瘤以恢复血液流动。CFD 和FEA以及相应的图像技术的发展极大地推动了支架的研究。为了建立真实的数字模型进行研究，支架的几何体和其传输系统应当很精确。在这个案例中，我们描述了IBiTech 如何利用Mimics的分割模块和三维重建nano/microCT技术获得支架的几何体模型。这对于支架的扩张，气囊与血管的交互性有着深远意义。
支架的主要作用是通过支撑打开管道来增加血管的直径，通常用于减轻流向器官或障碍物末端的血液被挤压造成的痛苦，保持足够富氧血的供应。在这之前，支架被以很小的直径折叠起来，固定在气囊导管表面（见图1）。然后它被放置到梗阻的区域，接着气囊
（图1）固定在气囊上的支架 充气，支架扩张，这样形成了保持血管畅通的支架。
IBiTech对支架研究的重点集中在这些血管植入装置造成的流动性和结构加工工艺。为了验证这些过程，IBiTech需要非常精确的计算机模型。然而，由于支架从导管经激光切割后又经过几次加工处理（比如用电解法抛光和卷边），目前支架的几何模型与制造商原始的CAD设计不同。IBiTech的研究员利用支架的nano/microCT图像得到了它准确的有波纹的模型。在这个研究阶段中，Mimics起到
（图2）由CT数据在Mimics中三维重
建得到的支架		 了很大的作用。Mimics强大的分割和三维重建工具很容易地将nano/microCT图像转化成支撑体精确的三维模型（见图2）。
除了精确性和用户友好性，利用Mimics进行分割最主要的优点之一是自动和手动相结合来修改蒙罩。比如，用户可以创建相互接触部分的分割体，或者只选择蒙罩的指定区域。利用这些影像可以重建气囊的模型和折叠模式，作为它的数字模型（见图3）。
（图3）由CT数据在Mimics中
三维重建得到 的折叠气囊		  
分割和三维重建后，研究者需要进行精确的FEA分析。为了进行分析，他们首先利用Mimics高度自动化的网格重剖分技术对三维网格模型进行了优化（见图4）。Mimics也可以提供三维结构必要的尺寸，以创建近似的参数模型，这个过程由内部软件完成（pyFormex）。
（图4）剖分网格(A)和重剖分
网格(B)的部分支架
（图5）扩张三倍的虚拟气囊，由nano/micro-CT扫描图片得到 (图6）支架的虚拟扩张
接下来，IBiTech团队准备分析支架的特性。支架最重要的特点是扩张，在实施了准确地负荷条件和材料属性后，可以利用FEA精确建模。FEA中得到的虚拟扩张与实验性的nano/microCT分析比较后，可以被详细地验证（见图5和6）。IBiTech也利用FEA分析了支架的其它属性，包括弹性、径向强度以及气囊长度和折叠方式的优化。
（图7）由医学扫描数据得到的在狭
窄动脉中支架的虚拟放置		 （图8）CFD分析带有支架动脉的血流量
由个体患者的脑血管CT数据可以更准确地获得支架和阻塞血管的交互性能。在Mimics中，从病变部位分离出蒙罩后，可以赋给模型一个统一的壁厚，以估计一些可能出现的结果（见图7）。针对MRI图像，Mimics还可以根据灰度值分配不同的壁厚和材料属性。支架植入体对血流量的影响也可以利用CFD分析（见图8）。

对新产品的设计和开发来说，虚拟验证变得日益重要。当前的CFD和FEA是主流分析工具。将来，这些技术也许是基于图像的、个体病人的分析和诊断，以及随后支架选择和放置的术前规划。Mimics有助于研究者进行准确的观察，这对于支架的扩张和与气囊及血管的交互性有着深远意义。IBiTech的研究者认为，未来Mimics在特定位置的支架植入术方面也会起到重要作用。在优化个体患者病变部位的血液流动时，这个过程会考虑压力、技术、支架种类和形状，因而改善了治疗方法。

新的Stryker掌骨金属板：Mimics三个月内实现从设计步入市场
 
　 目前市场上一般利用金属板方法治疗骨折，这种金属板均为标准规格设计，并不能与人体的病患部位完全贴合。Stockmans教授指出，这种方法治疗某些关节骨折会产生很多问题。他曾利用Mimics改变了手掌金属板的设计，使金属板与掌骨的形状完全贴合。从概念到市场的整个产品周期，Mimics所花费的仅仅是传统植入体设计时间的一小部分。
连接小手指和手腕的第五根手指骨折，通常被叫做拳师骨折（见图1）。这种类型的骨折多半发生在拳头击打固定物体时，小手指的掌骨末端经受了撞击而导致受伤。
（图1）拳师骨折  
为治疗骨折，固定破裂的骨骼是必要的。整形外科设备厂商提供了修复掌骨的金属板装置。然而，他们并没有为形状特殊的骨骼提供最佳的金属板造型，导致金属板并没有被很好的固定。（见图2）
（图2）传统的掌部V型金属板设计  
意识到这个问题后，Stockmans教授和医学设备公司Stryker转向Mimics，完成了几处设计变更。这些变更反映了小手指骨骼的解剖学形状。他在Mimics中导入了掌骨的CT扫描图片和种植体的STL文件。生成了掌骨的三维模后，在骨骼上可以定位金属板的位置。他调用了病人数据库中的真实数据完成了这些操作。为设计出与病患部位贴合的金属板，
（图3）新的金属板设计型
Stockmans教授利用Mimics仿真模块中的切割工具将标准金属板进行了切片。然后，他对这些不同切片重新定位以获取更完美的效果（见图3）。最终这些切片被合并为一个整体，得到了新设计的、自动贴合掌骨形状的V型金属板。


由病人的个体数据得到的新掌骨金属板设计使Stockmans教授充满了信心，他相信利用Mimics设计的这个金属板更加贴合病人解剖部位而且成功的达到了固定的目的。在 Stockmans教授新设计（见图4）的基础上，Stryker's的设计工程师创建了一个满足病人解剖部位和生产需求的设计（见图5）。花费在验证和优化阶段的原型生产时间可以忽略不计。
（图4）新设计的掌部V型金属板
Mimics强大且界面友好，是患者个体数据的接口。Stockmans教授和Stryker完成整个的流程——从概念设计到市场——不超过3个月的时间。一般会花费一两个月时间。传统的设计时间主要花在反复试验上，在临床验证过程中，解剖部位的不相容会导致原型生产的多次设计变更。Mimics的外科手术模拟模块可以虚拟验证和修改设计，避免增加设计变更的次数，因此明显的减少了步入市场的时间（见图6）。由于种植体与病人的解剖部位非常贴合，手术时间大大减少，医生不再为不贴合的金属板而烦恼。从而Mimics为外科医生和植入体设计工程师建立了联系。
(图5)Stryker公司在售的新
的掌骨金属板

图（6）

Mimics在考古学/人类学/古生物学方面的应用
 
Mimics重建the Grauballe man:丹麦沼泽干尸
　　The Grauballe man是丹麦保存最好的干尸之一，可追溯到公元2000年。他的尸体于1952年被发现，认定咽喉已经切断而且可能有颅骨和胫骨骨折。随后尸体受到了最大限度的保护并进行了重建性手术。目前，我们对尸体进行了新的分析，尤其是全身的CAT扫描。扫描结果使我们能够对防腐措施和早期的保存手段有详细的了解。这些结果也给我们提供了关于骨折、软组织创伤、确定年龄及最终颅骨stereolithographic模型建立的信息。Mimics是理想的可视化的三维重建工具。它能处理大部分区域(例如：分离)和CAT扫描影像的不同解剖学(特殊骨骼)特征。Mimics也可以输出STL文件，这种文件通过快速成型用来制造解剖复制品。CAT扫描在分析人体残骸方面日益广泛应用。同样集中方法论的缺陷和可能性是重要的。
Mimics提示化石分类
 
显然化石一直是对探索所有生物起源和进化都有重要价值的，也包括人类。最近伦敦自然历史博物馆的古生物学家Patricio Dominguez和 Richard Jefferies及德克萨斯州Austin大学的Antone Jacobson为科学界做出了显著的贡献。 应用全新的、高科技技术并结合计算机X射线微观断层摄影术和Mimics三维重建，他们能研究Jaekelocarpus oklahomensis，一个很小的三亿年的古老化石（图1），可以说没有引起标本的任何损坏。他们的研究引起了一个令人兴奋的发现，要求化石的重新分类。 1991年三个美国研究人员首先对化石进行了分类，这个化石在美国Ardmore Oklahoma被发现，就像一个enchinoderm（例如涉及的海星）。现在利用新科技，Jaekelocarpus骨骼的内部重要结构被提示，而这以前没有被看到过。三维重建模型证实Jaekelocarpus是有脊椎的，而不像以前认为的enchinoderm，尽管有一个骨骼组成方解石盘子看起来像一个enchinoderm。最近一个新研究在主流科学杂志Nature的一篇文章中报导。 这种新的微观断层摄影技术是非常精确和强大的扫描技术。这种技术提供一系列与化石断层相关的影像。扫描是在德克萨斯州Austin大学进行的，一共扫描了300个切片。这些影像随后被输入到Mimics中进行化石的三维模型重建。利用Mimics，研究人员能识别出组成化石骨骼的单独金属板（图2）。Dr. Patricio Dominguez评论：Mimics不仅允许我们在三个正交视图中对数据影像进行编辑，而且可以稳妥地控制数据集的噪声区域或者锐减系数矩阵。利用画笔工具和编辑曲线手工提取阀值已成为最有价值的帮助。三维模型的横断面显示了头部的一对鳃裂(图3)。这是一个非常令人兴奋的发现，它展示了与现代脊索动物（例如脊椎动物）符合的Jaekelocarpus骨骼。因此化石更进一步提示了我们祖先的起源。