通过三维计算机断层扫描测量骨密度的验证

Posted · Add Comment

概述 随着人口老龄化,骨质疏松越来越受到关注,导致骨折和手术并发症的风险增加。为做出明智的治疗决策并识别容易出现骨密度相关问题的患者,外科医生需要在手术前了解患者的骨质量。然而,目前的骨密度分析方法并不十分可靠和准确。 本研究旨在开发一种术前根据 CT 数据测量肱骨近端局部松质骨矿物质密度(BMD)的方法。研究人员通过 Simpleware 软件使用感兴趣三维区域的方式,比现有方法更精确和一致。 亮点 术前利用 CT 数据测量肱骨近端局部松质骨矿物质密度的方法。 通过使用 μCT 数据对标准 CT 扫描进行准确性分析验证测量结果。 Simpleware 软件可以确认骨密度的空间位置(可靠性),并从临床 CT 扫描中准确提取骨密度特征。 图像获取 通过临床 CT 扫描设备(Siemens SOMATOM Definition AS+)扫描 30 具尸体肱骨,使用制造商的密度模型将灰度值转换为 BMD [mgHA/cm3] 值。额外的 microCT(μCT,Phoenix v/tome/x s)扫描,体素分辨率为 50μm,BMD [mgHA/cm3]中已校准体模 82 灰度值作为评估密度分析准确性的参考。 分析方法 图2:验证3D CT 骨密度测量的分析方法 使用 μCT 数据在体模校准队列(n = 30)的标准 CT 扫描中进行准确性分析。通过自动图像处理脚本为密度分析进行可靠性分析。 使用临床 CT 数据的组内相关系数(ICC)和图像处理脚本与 μCT 数据和 Simpleware 工具性分析评估准确性和可靠性。对单个测量值进行双向随机效应分析,并将可靠性应用于单个评分者/方法的单个测量值一致性的背景下。ICC 大于 0.75 为优秀,0.40 […]

离子导体相对于电子导体在固体氧化物燃料电池阴极中渗透的优势

Posted · Add Comment

概述 固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种极具吸引力的电化学装置,可以直接有效地利用燃料的化学能发电。SOFC 在相对高温(600–1000 ℃)下工作,可实现较高的燃料灵活性,并通过热电联产系统中的废热回收提高效率。为充分发挥潜力,SOFC 需要进一步改进,在经济上与传统能源转换技术竞争,包括提高其耐用性和可靠性。 渗透是在预制电极骨架内生成具有特定性质(如特定电导率或电催化作用)纳米级固体的过程。渗透改变了电极的局部形态,对电化学反应位点的数量和/或质量和电荷传输具有积极的影响。在实验上,很难直接确定局部电化学如何受到影响和在相关长度尺度(几十微米量级)上以适当的分辨率(纳米量级)量化电化学活性位点的 3D 分布。 为了解纳米级渗透如何影响性能,需要能够模拟许多相对较大体积 3D 微观结构的计算工具。本项目通过研发的高通量开源仿真代码 ERMINE 对 55 种不同的阴极微观结构进行有限元模拟,探索 SOFC 中离子导体和电子导体作为渗透物的差异。 图1:从分割图像数据到模拟的计算工作流程 亮点 对渗透 SOFC 阴极进行电化学 HPC 模拟。 离子导体的渗透比电子导体更能提升性能。 离子导体将在 TPB 处产生的电流重新分布到整个电极上。 再分布降低了 TPB 处的局部欧姆过电势,增加了局部活性。 原始微观结构更能显著影响整体性能。 图像处理 采用商业阴极结构的图像数据进行 3D 重建,原始数据尺寸为 126 × 73 × 12.5 μm3,体素为 55 × 55 × 50 nm3,基于灰度值将其分割为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、镧锶锰氧化物(LSM)和孔隙。从完整模型中随机提取五个尺寸为 10 × 10 × 7 μm3 的较小微观结构子体积,记为 BB_i (i = 1-5)。为更精准地分割出三相界面(TPB),通过重采样调整分辨率,将原有的 1 个体素由 8 个相同的更小体素组成。 对五个微观结构进行人为地渗透,随机选择与 LSM 和 YSZ 表面接触的一定比例孔隙种子。将渗透相(LSM […]

采用患者三维打印模型进行血管内 Bentall 手术预演的概念验证(内附视频)

Posted · Add Comment

概述 胸腹主动脉瘤和累及主动脉弓的病变常规是进行血管内修复,但升主动脉的血管内治疗仍处于发展的早期阶段。Gaia(巴西圣保罗联邦大学)等人最近描述了首次通过血管内方法进行的人体 Bentall 手术。本项目与库克医疗合作设计带有冠状动脉分支的主动脉腔内移植物,用于修复具有传统开放手术修复禁忌症患者的复杂主动脉根部。计划通过植入定制的内移植物并结合经导管主动脉瓣置换术(TAVR)手术排除主动脉疾病。 在执行这一创新和个性化的手术之前,采用 Biomodex 公司基于患者计算机断层扫描(CT)重建的 3D 模型进行血管内 Bentall 修复术的特定预演,规划治疗累及主动脉根部的升主动脉瘤。通过使用体外 3D 模型模拟现实生活中的手术,提供针对特定患者新技术治疗策略的概念验证。 方法 患者特征 一名 69 岁的女性,升主动脉瘤增大并累及主动脉根部。病史包括 12 年前做过主动脉瓣修复术结合升主动脉包裹术,包裹已失败且向远端移动。由于该患者左心室功能受损、严重慢性阻塞性肺疾病以及与左侧偏瘫相关的活动能力差,因此被认为具有再次胸骨切开术的高风险。 3D 打印模型 将扫描获得的 CT 图像数据导入 Simpleware 软件进行分割,获得患者从股动脉到主动脉瓣生物瓣膜的三维重建解剖结构。3D 模型由 Biomodex 公司使用 INVIVOTECH 专有算法通过 Stratasys Polyjet 3D 打印机制成,该算法在微观层面结合柔性和刚性材料,为模型提供真实的生物力学行为。 图1:3D 打印模型 复合手术室 手术预演安排在 Marie Lannelongue 医院中采用最先进混合系统的专用临床前实验室,包含先进的成像应用:图像融合引导和锥形束 CT。 血流动力学特征 血液粘度为特有的 BloodSim 配方模拟,3D 模型连接离心泵(Medos Deltastream DP3 系统)提供顺向脉动流。 结果 图2:(A)上行分支内移植物(B)不同组件的最终配置(C)非对比增强锥形束 CT […]

脆性岩石试样断裂过程区及宏观疲劳裂纹行为研究

Posted · Add Comment

概述 当材料在任意荷载作用下出现应力引起的新裂纹时,材料的应力状态会发生显著变化,应力的重分布将导致脆性岩石材料中原有裂纹发生扩展、钝化或改向,对材料的强度产生影响。由于循环加载和疲劳效应,在较小荷载作用下脆性材料就可能发生破坏,这种破坏属于材料的“疲劳”破坏。地铁隧道边墙、大坝、巷道顶板、桥梁和路基等在循环/重复荷载作用下均可能发生劣化。 损伤力学研究一般关注水平和竖直变形/应变,而这些变形是微/纳裂纹形成和扩展的结果。本研究结合试验与扫描电子显微镜(SEM)、计算机层析成像(CT)技术对断裂过程区(FPZ)进行观察和分析,探索断裂韧度(KIC)与循环载荷的关系。 试验和模拟 按照 ISRM 标准开展巴西圆盘试验和断裂韧度试验,在静力和重复加载测试下均重复 5 次。用于巴西圆盘试验的岩石试样为凝灰岩。岩石试样的单轴抗压强度(UCS)为 123 MPa,巴西圆盘试样直径为 51 mm。V 型切槽巴西圆盘(CCNBD)试样中存在切槽裂纹,适用于各种断裂型加载。 图1:CCNBD 试样及其几何参数 开展采用径向间接拉伸应力的重复加载试验,正弦加载试验中荷载频率为 1 Hz。正弦循环加载试验从约 2/3 材料抗拉强度的高应力水平开始,然后将施加荷载降低约 10% 直到试样在较低应力水平下不再断裂,此时的应力水平称为试样的疲劳极限。 数值模拟中的非均质性采用扩展有限元法(XFEM)和 Simpleware 软件实现。将 CT 图像数据导入 Simpleware 软件进行图像处理,量化测试样本中 FPZ 的微断裂体积/面积,生成高质量的网格模型用于 ABAQUS 软件中的数值模拟。 结果与讨论 在线弹性断裂力学(LEFM)理论中,裂纹尖端应力情况可由3 种常见的断裂状态表征,对应为 I 型(拉伸应力)、II 型(剪切应力)和III 型(撕裂应力)裂纹扩展模式。材料的断裂模式属于上述哪种取决于裂纹几何形态及表面位移。I 型断裂条件下,由裂纹尖端开始,裂纹表面预计产生一个开口;II 型断裂条件下,裂纹面产生面内滑移;III 型断裂条件下,由于裂纹面外剪切作用,裂纹面垂直于裂纹轴线移动。 拉伸强度和断裂韧度 取 5 个试样测试结果的平均值,得到静态巴西拉伸强度为 11 MPa,静态 I 型(拉伸)断裂韧度为 1.48 MPa·m1/2。巴西圆盘试样和 CCNBD […]

利用微观结构模型评估受电弓滑板的材料性能

Posted · Add Comment

概述 铁路所使用的摩擦材料如受电弓滑板和车轮踏面制动器,大多都由复合材料制成。而复合材料的宏观性能在很大程度上取决于其几何微观结构,如尺寸、形状和成分的分布。传统的铁路材料倾向于通过试错进行试验开发。为更有效地改进和开发材料,可通过数值仿真研究材料微观结构与宏观性能间的关系。 本项目利用 X 射线计算机断层扫描技术开发了一种基于图像的浸金属碳微观模型,通过均质化方法评估其杨氏模量、热导率和电阻率,计算分析应力、温度和电流密度的分布。 图像处理 本研究所用受电弓滑板的材料为浸金属碳(PC78A),由多孔碳与铜浸渍制成,认为几乎是各向同性。 表1:PC78A 的材料性能和各成分的体积分数 使用 Bruker SkyScan 2211 CT 扫描设备获取 PC78A 的微观结构,导入Simpleware 软件进行图像处理。为缩短图像处理时间,先将像素间距从 1 μm 调整为 3 μm,采用中值滤波器去除脉冲噪声。 图1:CT 扫描获得的图像数据 裁剪边长为 600 μm 的立方体(模型 600)作为感兴趣区域,基于灰度值将图像分割为铜、碳和空隙。考虑到后续产生网格单元的数量和计算资源,将空隙区域体素小于 10 和铜中体素小于 50 的部分重新划分为碳的区域。按照不同位置将模型 600 分为 8 个边长为 300 μm 的立方体(模型 300①-⑧)。在 Simpleware FE 模块为所有模型 300 生成高质量的网格模型。 图2:模型 600 中不同模型 300 的位置关系 图3:图像分割结果和生成的网格模型 将模型 600 与模型 […]

基于 Nano-CT 和有限元方法的沥青混合料剪应力计算分析

Posted · Add Comment

概述 沥青混合料是由集料、沥青胶浆及空隙三种成分组成的非均质混合物,在荷载作用下,混合料内部的应力分布呈现非均匀性。采用连续介质力学方法研究具有非连续性特征的道路材料,难以真实地模拟其受力、变形及破坏过程。沥青路面在水平荷载与竖向荷载的综合作用下产生较大的剪应力,当混合料抗剪强度不足时,极易产生车辙、推移、拥包等剪切破坏。 本项目采用 Nano-CT 扫描设备获得制备芯样的图像数据,导入 Simpleware 软件创建与混合料内部实际空间分布一致的三维数值模型。利用有限元方法计算剪应力并分析温度的影响,通过宏观抗剪强度测定验证计算结果的合理性。 试样制备 所用 AC-13 沥青混合料级配如下表所示,胶结料采用 SK-90# 沥青,集料及矿粉均为石灰岩,沥青混合料的最佳油石比为 4.82%。首先成型为标准马歇尔试件,通过钻芯获得 20 × 20 mm的圆柱体芯样。 表1:沥青混合料级配 图像处理和模拟 采用 Xradia 410 Versa Nano-CT 设备对沥青混合料芯样进行层析扫描,将图像数据导入 Simpleware 软件进行图像处理。采用 Resample、Crop 工具调整图像分辨率和尺寸,基于灰度值使用 Otsu 自动分割工具获得集料、胶浆及空隙三个不同的相。 图1:Otsu 分割算法结果,紫色、绿色及白色区域分别代表集料、胶浆及空隙 直接对圆柱体芯样进行网格划分所得模型的单元数量将会过于庞大,需要消耗大量计算资源。同时为了保证计算结果的准确性,在芯样 10 个不同位置分别裁剪 2 × 2 × 2 mm 的立方体。在 Simpleware FE 模块选择 FE Grid 网格划分算法和生成六面体/四面体混合单元。 图2:在 Simpleware 中生成的网格模型 将由 Simpleware […]

通过添加线圈减缓在右侧放置植入式心律转复除颤器的发生器引发除颤阈值升高

Posted · Add Comment

概述 植入式心律转复除颤器(ICD)是治疗致命性心律失常最有效的方法,在激活的发生器(can)和右心室(RV)线圈间传递跨越心室心肌的强烈双相电击。通常会将发生器放置在患者左胸锁骨下,远端电极导线植入右心室(RV)腔内,一般是心尖位置。由于各种条件或与导线相关的并发症,这种配置并不总是可以实现,例如先前在左侧的装置感染可能需要重新在右胸植入。还可以选择将电击线圈放置在 RV 室间隔处,而不是像心脏再同步化治疗除颤器(CRT-D)设备那样放置在心尖。 本研究基于高分辨率的 CT 扫描图像数据创建整个躯干的计算模型队列,定量评估是否可以通过右心室(RV)电击线圈的交替定位或在上腔静脉(SVC)和冠状窦(CS)添加线圈减缓右侧发生器配置中除颤阈值(DFT)的潜在增加。 模型生成 躯干模型 获得 5 名接受经导管主动脉瓣置入术计划患者的整个躯干 CT 扫描(0.7 × 0.7 × 0.5 mm)以及额外更高分辨率对比心脏扫描(0.3 × 0.3 × 0.5 mm)的图像数据,在 Simpleware 软件中对主要器官、皮肤和骨骼进行分割。为右心室壁将血池膨胀至 3.5 mm,为左/右心房和主动脉将血池膨胀至 2 mm,并调整重叠区域。此外,还单独分割出肺静脉和 SVC 的血池和壁。 肥厚型和扩张型心肌病 根据测量尺寸初步评估五个心脏模型的病理结构差异,发现其中两个患有肥厚型心肌病(HCM)。为扩大模型队列,对心脏几何形状进行修改,为每个病例生成三个结构不同的心脏,即健康、HCM 和扩张型心肌病(DCM)的心脏。 表1:健康、DCM 和 HCM 心脏的左心室舒张末期直径与心室壁厚度 缺血性心肌病 为重现缺血性心肌病(ICM),随机选择根据梗死的猪心脏晚期钆增强 MRI 重建五种不同的梗死疤痕并映射到五颗健康心脏。选择疤痕位置代表各种典型的灌注区域:左前降支(LAD)、左回旋支(LCA)、右冠状动脉(RCA)。 图1:(A)五个健康心脏中在 RCA、LCA、LAD 灌注区的梗死疤痕(B-F)ICD配置的 RCA、LCA、LAD 疤痕模式下 DFT 能量的比较 ICD 的电极放置 按照设计的每个 ICD 配置将虚拟线圈/发生器植入躯干模型中。对标准经静脉 ICD 配置进行建模,将 RV 电击线圈(直径 2 mm,长 […]

采用基于 μCT 的有限元分析评估木材的导热系数

Posted · Add Comment

概述 木材是一种来自树木或木质植物的天然物质,在建筑、燃料、器皿、乐器和其他复合材料行业都有广泛应用。在燃料领域,木材也成为探索新型电极材料的关注点。木质纤维素和多通道微观结构有助于钒液流电池充电中离子导电型电解质的传质。无论是实验还是设计工作,研究控制介质传递热量内在能力的导热系数都具有非常重要的实际意义。 本项目提出一种结合 X 射线显微计算机断层扫描(μCT)和有限元分析(FEA)在介观尺度测试木材导热系数的方法。通过对具有两相成分(早材和晚材)的真实木材进行三维重建,研究纹理、孔隙率和水饱和度对木材导热性能的影响。 图像处理 本研究所用为松树锯材,纹理层是深/亮黄色交替的图案。纹理表示树木不同季节形成层活动下细胞纤维的取向,可分为早材和晚材。早材层源自薄壁木质细胞,呈现出明显较浅的颜色和较宽的线条图案。晚材呈现为较暗的线条图案,通常在夏季生长更密集且细胞壁含量更高。木材形成的纹理使其具有各向异性的材料特性。采用 μCT 在介观尺度获得木材试样的内部几何结构,尺寸为 15 × 15 × 20 mm。 图1:尺寸为 15 × 15 × 20 mm 的木块 考虑到计算资源和耗时,从三个不同位置裁剪 4 × 4 × 4 mm的感兴趣区域(ROI)作为模拟和分析的计算模型。对三个 ROI 的模拟结果进行平均得到具有统计代表性的均匀场,考虑到了整个木材纹理密度的异质因素。 图2:X-Y 和 X-Z 平面上木材断层扫描图像的分割 为了解尺寸对热传导模拟可靠性的影响,将 ROI 裁剪为体积从 1 mm3 到 64 mm3 的立方体模型。试样编号如 W4-T-0.8-0.6,W 表示木材;4 为模型边长 4mm;T 表示木纤维的横向(P 表示平行于木纤维);0.8 是早材孔隙率;0.6 是晚材孔隙率。 图3:不同尺寸的木材介观尺度结构(a)4 × 4 × 4 mm(b)3 × 3 × 3 mm(c)2 × 2 × 2 mm(d)1 × 1 × 1 mm 在 Simpleware […]

髋关节翻修手术中髋臼大面积缺损的统计形状建模

Posted · Add Comment

概述 统计形状模型(SSM)可以帮助获取髋臼大面积缺损患者在髋关节上常见缺失的标志,将重建骨盆与先前经历过翻修手术的患者进行比较。 本研究采用一个 38 人的 Paprosky III 型缺损患者回顾性队列和通过 Simpleware 软件处理 100 个健康骨盆创建的 SSM 进行研究。结果评估是 SSM 与患病髋关节、SSM 与术前规划及 SSM 与对侧健康髋关节的旋转中心CoR 之间的差异。从这些分析中了解中位 CoR,展现 SSM 的优势。 亮点 使用 Simpleware 软件对 50 例男性和 50 例女性的半骨盆进行图像分割,建立统计形状模型将 SSM 与患侧髋关节、手术规划、健康对侧髋关节比较,评估 CoR 的差异。SSM 工作流程为复杂髋关节重建手术规划和个性化假体设计提供一种有价值的工具。 介绍 全髋关节置换术(THA)是髋臼存在严重缺损时恢复髋关节功能的常见骨科手术。然而在使用传统方法进行 THA 翻修时,处理严重的髋臼骨缺损非常具有挑战性,通常会导致因植入失败造成较高的翻修率。 定制的髋臼植入物与残留宿主骨的匹配有助于克服这些障碍,能够更准确地定位髋臼组件,从而提高植入物性能和降低翻修手术风险。这些手术规划方法包括通过镜像健侧半骨盆测量可接受的髋关节 CoR,但受到人体解剖结构不对称、病理或金属加工的限制。 虽然骨盆统计形状模型为重建骨盆骨缺损提供了解决方案,但这些模型主要局限于与患者数据无关的计算模型或基于非常小的患者队列。在本案例中,研究人员进一步使用 SSM 测试其在重建大面积髋臼缺损患者髋关节中缺失的重要骨骼标志中的价值。这种方法可以将 SSM 的 CoR 与之前未使用 SSM 技术手术规划进行因大面积髋臼缺损接受髋关节翻修手术的患者进行比较。 研究设计与结果评估 本研究使用的数据集是一项回顾性队列研究,共纳入了 38 例 Paprosky Ⅲb 型缺损患者,包括髋臼边缘和泪滴严重破坏。采用健康骨盆对 SSM 进行训练,然后用 SSM 对所有 38 例患者的原始骨盆形态进行虚拟重建,其中 […]

通过基于 Micro-CT 重建的孔隙尺度模型和数值模拟研究泡沫混凝土的渗透特性

Posted · Add Comment

概述 泡沫混凝土主要由水泥浆和使用配制泡沫或专业化学发泡剂产生的较大体积气孔组成,较高的流动性、隔热性、能量吸收以及承受大变形的能力使其在土木工程中越来越受到关注。在大多数的应用中,泡沫混凝土的耐久性是一个不可避免的问题,而渗透性是决定长期耐用性的重要材料特性之一。 本项目提出了一种结合基于 X 射线显微计算机断层扫描(Micro-CT)图像重建技术和 Simpleware 软件研究泡沫混凝土渗透特性的方法。通过 3D 孔隙尺度结构模型讨论影响泡沫混凝土渗透性的主要因素,进一步分析边界条件对渗透率计算结果的影响。 试样制备 泡沫混凝土由 #42.5 普通硅酸盐水泥(OPC)、商业复合发泡剂和自来水组成。设计不同的目标湿密度,水/水泥(w/c)比率恒定为 0.45。圆柱体试样高 70mm,直径为 50mm。 表1:制备试样的特性 图1:不同密度的泡沫混凝土 采用高性能 Micro-CT 扫描设备(Zeiss Xradia 410Versa, Pleasanton, California)对所有试样进行扫描,然后将图像数据导入 Simpleware ScanIP 进行图像处理。 图2:不同密度泡沫混凝土的 2D 切片视图和 3D 重建模型(a)M1(b)M2(c)M3 计算模拟 一般情况下,当模型尺寸比孔隙大 10 倍时,可以忽略尺寸的影响。泡沫混凝土中大部分孔隙的直径小于 1.5 mm。因此,为节省计算时间和资源,裁剪 15×15×15 mm 的立方体模型进行研究。同时考虑到模拟结果的可靠性,选取了三个不同位置的计算模型。 图3:不同密度泡沫混凝土的计算模型(a)M1(b)M2(c)M3 在 Simpleware FE 模块为计算模型生成高质量的四面体网格模型,网格粗糙度设置为 0,沿 Z 方向定义流体的入口压力 20 Pa和出口为开放边界。假设流体仅通过孔隙且不渗透水泥基体,设置侧壁为不渗透边界。在流固界面上施加无滑移条件,假设流体为水。在 Simpleware FLOW 模块进行渗透模拟,计算渗透率。 […]

 
  • 标签

  • 关于费米科技

    费米科技以促进工业级模拟与仿真的应用为宗旨,致力于推广基于原子级别模拟技术和基于图像模型的仿真技术,为学术和工业研究机构提供研发咨询、软件部署、技术攻关等全方位的服务。费米科技提供的模拟方案具有面向应用、模型新颖、功能丰富、计算高效、简单易用的特点,已经服务于众多的学术和工业用户。

    欢迎加入我们!(点击链接)

  • 最近更新

  • 联系方式

    • 留言板点击留言
    • 邮箱:sales_at_fermitech.com.cn
    • 电话:010-80393990
    • QQ: 1732167264
  • 订阅费米科技新闻

    • 邮件订阅:
      您可以使用常用的邮件地址接收费米科技定期发送的产品更新和新闻。
      点击这里马上订阅
    • 微信订阅:
      微信扫描右侧二维码。
  •