电场治疗脑肿瘤的建模【Simpleware应用】

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概述 交变电场或肿瘤电场治疗(TTFields)是一种治疗癌症,特别是复发性胶质母细胞瘤的电磁场疗法。与传统方法相比,肿瘤电场治疗通过头皮上的阵列传递低强度的电流,展现出良好的效果。然而,人们对肿瘤电场治疗在脑内的精确分布以及它们覆盖复发性胶质母细胞瘤程度仍不甚了解。医学图像数据的计算仿真为分析肿瘤电场治疗胶质母细胞瘤的效果提供了解决方案,Simpleware 软件可以为此类应用研究生成精准的模型。 亮点 获取复发性胶质母细胞瘤患者治疗期间的MRI数据使用 Simpleware 软件生成带有传感器阵列的三维头部模型并划分网格将网格模型导出至 COMSOL Multiphysics 分析电场分布仿真结果有助于拓展对肿瘤电场治疗的认识 MRI 图像采集与肿瘤治疗 研究人员的目的是测定患者脑内的电场分布随频率的变化,因此他们对大脑结构使用了协同配准(co-registered)钆剂后 T1 加权、T2 和 MP RAGE 图像与预设的电导率和相对介电常数。1 例 67 岁女性患者的神经影像学回顾性分析,其患有右侧后脑复发性胶质母细胞瘤,在初始经过神经外科手术切除后进行了 6 个月的肿瘤电场治疗,每日颅外照射加替莫唑胺,照射后以替莫唑胺为佐剂。然后她同时接受注射一剂 10 mg/kg 的贝伐珠单抗(每两周一次)和肿瘤电场治疗,在可能的情况下持续地作用在她剃光的头上。传感器阵列的放置是基于计算机通过对MRI数据中她头部、肿瘤大小和肿瘤位置的形态测量,从而生成的个性化布局。这两种治疗持续到 24 个月时在右侧脑室外侧缘发现另一个患病部位。 图:患者脑部 MRI 图像:初始治疗 6 个月后,肿瘤可见于上层切片(A)和下层切片(B);24 个月后在右侧脑室外侧缘(D)处发现新的患病部位,而原发肿瘤稳定(C)。 图像处理和网格划分 同一个基线 MRI 用于布局,使用 Simpleware ScanIP 由协同配准的 MRI 图像数据生成头部 3D 模型。在Simpleware FE 中为每一个分割出的头部结构和传感器阵列生成有限元网格,头部包括头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液(CSF)、幕上灰/白质、脑室、脑干、小脑、复发性胶质母细胞瘤。然后将复合的有限元网格模型导出为 COMSOL Multiphysics 的格式。 图:利用 Simpleware 软件创建带有传感器阵列的头部模型 模拟结果 […]

人工智能技术加速3D打印心脏模型【Simpleware应用】

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概述 Nicklaus儿童医院心血管外科高级项目实验室(APL)需要为一名青少年患者制定一项复杂的手术规划,该患者左冠状动脉异常起源于右主动脉窦,伴壁内、动脉间行程。 病理的复杂性决定了对患者心脏进行3D CT扫描(DICOM格式)十分必要,而3D打印模型将有助于医生团队为手术规划展示心脏通路。因此,他们利用Simpleware软件对DICOM图像数据进行自动化分割,在短短15分钟内就成功创建出能够直接用于3D打印的模型。本案例中打印模型所用设备为Stratasys J750 Digital Anatomy打印机。 亮点 Nicklaus儿童医院心血管外科APL团队在他们的常规工作流程中使用Synopsys公司的Simpleware软件进行3D解剖模型打印;Simpleware的AI工具有助于快速创建出超高精度模型;打印出高质量3D解剖模型的设备为Stratasys J750 Digital Anatomy打印机。 介绍 3D解剖打印可以为临床医生带来众多益处,包括增强病理的可视化和测量以支持标准手术与复杂手术的规划,同时也能够整合医疗器械(如有适用)。Nicklaus儿童医院心血管外科高级项目实验室(APL)正在利用包含全息医学3D可视化和3D打印在内的各种先进技术促进加强手术规划、改善患者体验。作为美国最早应用3D打印技术进行手术规划和教育的机构之一,Nicklaus儿童心血管外科APL已经打印超过500例心、脑、脊柱、四肢等器官的模型。 Nicklaus儿童医院的Robert Hannan、MD、Thomas Haglund和Muhanad Shraiteh与Synopsys的Simpleware产品团队通力合作,开发出将患者影像数据转换为Stratasys 3D打印机适用模型的解决方案。打印得到的3D解剖模型有助于临床医生规划儿童心脏手术。在本案例研究展示的示例中,心血管外科APL团队使用Simpleware软件强大的人工智能(AI)工具加快为青少年患者创建心脏模型的工作流程。 Simpleware 软件中的自动化分割和打印准备 将患者的心脏CT扫描数据导入Simpleware ScanIP Medical和自动分割模块Simpleware AS Cardio,一键点击即可完成分割和标记。此过程显著改善了准备3D图像数据最常见的瓶颈之一。(视频:使用Simpleware AS Cardio进行心脏的自动分割:展示了典型现有分割工具与Simpleware AI产品之间的耗时差异。)

拉伸载荷下三维编织复合材料的直接数值模拟【Simpleware应用】

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概述 编织复合材料由于其结构特性,特别是在厚度方向的增强作用,使其在航空航天等工业领域得到广泛应用。与传统材料相比,三维编织复合材料还可以降低制造成本和时间,但仍需要设计和测试,以便更好地理解渐进损伤并进行失效分析。在多尺度建模中,理解基础微观结构和缺陷对失效的影响历来都是具有挑战性的。使用 Simpleware 软件基于图像的建模方法与 NCYL 多尺度代码则解决了这些问题,从微观到细观和宏观,在不同的长度尺度上生成精确的网格。 亮点 采用多尺度建模方法(NCYL 代码)对三维编织复合材料进行渐进损伤和失效分析通过 micro-CT 在 Simpleware 软件中建模进行微结构缺陷的原位研究节省计算资源并加深对高价值材料的了解 Simpleware 软件的多尺度网格划分 运用 Simpleware 软件的新方法获得了在不同长度尺度上都高保真和计算精确的模型,用于在代表性体积单元(RVE)尺度理解微观和宏观尺度的关系。采用不同的 SkyScan Micro CT 系统(1173、1076、1076)获取不同长度尺度的图像,从一个 2”x1” 的样本,到一半试样,再到完整试样。考虑到计算效率,在 Simpleware 软件中只取一半的数据进行高分辨率的手动分割,从而减小导出 FE 模型的尺寸。Simpleware 软件可以直接从微观 CT 数据中分割出单独的纤维和基体区域,并构建原位缺陷。 图:不同尺度micro-CT设置参数对比 在 Simpleware ScanIP 模块对图像数据中每根纤维束进行分割并重建成三维结构。由 micro-CT 数据创建的Simpleware 模型重现了复合材料中的原位微观结构缺陷。 图:拉伸试件在Simpleware ScanIP中的纤维分割 模拟结果 扫描图像数据的代表性体积单元(RVE)也是在 Simpleware FE 中进行网格划分获得,可用于捕捉几何缺陷。将生成的有限元网格导出为 Abaqus 的格式,其中包含所有的有限元和节点信息以及纤维路径取向。 采用纤维-基体尺度的RVE预测纤维束有效性质以及复合材料的聚合物基体中微裂纹和微损伤的影响,继而以此从细观尺度在宏观有限元分析中预测刚度和应力。 图:纬纱纤维束断裂为两半 图:试件最终拉伸断裂 图:试件最终拉伸断裂(三维等轴视图) 结论 一个分析缩比模型(NCYL)也为三维编织复合材料重的渐进损伤和失效分析提供了计算效率高的框架。渐进损伤和失效分析的模拟结果与实验数据吻合良好,研究了纬纱方向的面内弹性模量。全局-局部建模策略得益于基于图像建模的原位微观结构缺陷的因素,而缩比细观力学模型能够预测均质纤维束的有效非线性响应。本案例为研究者提供了一种具有较低计算成本的方法,适用于研究高价值复合材料中的大尺度渐进损伤和失效分析。 参考 […]

三维足部数值模型在跑鞋设计中的应用

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模拟可以节省时间、成本和材料 ASICS(亚瑟士)利用三维计算模型更好地了解跑鞋稳定性的作用。通过仿真进行优化,降低跑步者下肢受伤的风险,并提高性能。鞋底结构和脚跟外翻角度对于研究稳定性尤为重要。除实验方法外,在Simpleware软件中创建模型后导入至Abaqus仿真工具,可以帮助ASICS减少原型开发设计的时间、成本和制造废料。 亮点 在Simpleware ScanIP中由CT数据生成高精度、多部三维足部模型在Abaqus中的仿真用于准确预测鞋底稳定性ASICS成功地更新鞋底设计,提升性能该技术帮助ASICS减少原型开发设计的时间、成本和制造废料 生成足部模型 为预测鞋子的稳定性,对一名健康女性志愿者的足部进行X射线CT扫描。将图像数据导到Simpleware ScanIP软件,创建3D模型,然后生成代表足部不同部位(软组织、骨骼、软骨、韧带和足底筋膜)的有限元模型。模型的细节使ASICS对解剖模拟的精确性充满信心。 图:考虑到软组织、骨骼、软骨、韧带和足底筋膜的非均质数值模型 模拟跑鞋性能 本案例在Abaqus v.6.14 – 2中通过模型计算三种硬度聚合物泡沫板的变形模式。仿真结果与实验测试吻合良好,验证了仿真可以作为一种新的方法,用于丰富ASICS现有的研究。数值模型被证实能够准确预测鞋底的稳定性,指导ASICS成功更新鞋底设计,为客户提高性能。 图:根据对应足平阶段的模型计算脚跟外翻角度 图:在运动捕捉系统的测力台测量脚跟外翻角度和鞋稳定性参数 结论 ASICS已经成功创建针对特定运动状况量身定制的精确、高度优化的模型。因此,该模型对于鞋的稳定性设计、降低原型成本和时间、跳过实体原型提高耐久性具有重要价值。该产品已被作为设计实践的范例,本研究有助于提升对跑鞋稳定性的理解,减少跑步中接触阶段脚关节的过度运动或外翻。 图:使用Simpleware软件开发的ASICS GEL – Kayano 25(2018年6月1日发布) 参考 更多信息与致谢参见英文原文: https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/3d-numerical-foot-model.htmlM. Nonogawa, S. Nakaya, M. Isobe, K. Takeuchi, H. Azegami, 2021. Developing a three-dimensional numerical foot model and identifying the loading condition for designing a stable sole for running shoes, Mechanical […]

分析增材制造冠状动脉支架【Simpleware应用】

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概述 激光粉末床熔合技术(L-PBF)在金属增材制造(AM)方面的发展能够实现在微米范围内制造出高度多孔的细胞结构,因此理论上可以用于制造冠状动脉支架。 然而,工艺产生的不平整带来了特别的挑战,导致实际的 L-PBF 支架与预期支架(CAD 模型)在形态和力学性能上都存在偏差。本次分析着重关注 L-PBF 支架的膨胀行为。为进一步研究这些不平整造成的影响,基于真实和计算机重建L-PBF 支架建立实验和计算的联合框架。 亮点 使用Simpleware ScanIP 基于 µCT 数据重建 L-PBF 支架模型使用 Simpleware FE 生成稳健高效的支架网格模型,使用 Abaqus FEA 软件进行后续的结构分析基于重构的支架模型,采用实验测试和数值分析相结合的方法反演确定 L-PBF 支架的力学性能分析工艺产生的不平整对力学行为的影响,特别是 L-PBF 支架的膨胀行为。 实验数据 由 FIT Production GmbH 公司制造的激光粉末床融合(L-PBF)支架,考虑了两种分析 L-PBF 支架的后处理状态:1)热处理;2)电抛光和热处理。在支架被放置在两块板之间压缩以确定它们的径向强度之前,首先获取支架结构的 µCT 图像。在原始的实验中还对制造的支架做了进一步研究(详见参考信息)。 支架模型重建及FEA 将 µCT 数据导入 Simpleware ScanIP,使用 Flood Fill 工具进行分割,计算内部孔隙率。使用形态滤波器(erode、dilate、open和close)和 Boolean 布尔运算,生成内部空隙的三维模型。在 Simpleware FE 模块中对支架模型进行网格划分,由稳健的算法生成高质量的 FE 网格。然后将支架模型直接导入 SIMULIA Abaqus FEA 软件进行结构力学分析,重点研究支架在两个平板间的压缩和支架—球囊的扩张。 图:三个模型离散化图示。从左至右分别为:重建经热处理支架模型、重建经热处理和电抛光支架模型、以CAD模型为参考支架模型。 图:三个模型在压缩 0.8 mm 时外表面 […]

纤维增强复合材料的模拟

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概述 由于复合材料的复杂结构和材料特性,碳纤维增强材料的测试通常比较困难。为解决这个问题,岛津公司(Shimadzu)和 Cybernet Systems 的研究人员开发了一个可以比较 CAE 分析与织物材料真实测量的工作流程。 本案例研究展示了 CAE 分析的工作流程,采用微焦X射线 CT 系统扫描碳纤维增强热塑性(CFRTP)织物材料,获得其内部结构。将扫描结构导入 Simpleware 软件重建后进行多尺度分析和微观尺度的断裂行为模拟。测试系统的实测与 CAE 多尺度分析结果的比较可论证该技术的价值。 亮点 使用 Synopsys 公司的 Simpleware 软件重建复杂复合材料的内部结构。利用 CAE 工具进行多尺度分析模拟,Sim™ 工具有助于加深对材料性能的研究。该方法有助于行业内结合测量和分析技术,从而更高效地进行材料和产品设计 介绍 用于运输的碳纤维增强材料和其他复合材料可以设计为减重和环保的复合材料。但复合材料内部结构的复杂性和材料性能的各向异性导致测试会比较困难,需要一种实际测量与仿真相结合的产品设计方法应对这一挑战,这对具有复杂材料性能和变形行为的纤维增强复合材料尤为重要。 为了解决这个问题,研究人员开发了一个包含 Simpleware 软件作为其中一环的 CAE 分析工作流程,比较CAE 分析与实际测量的结果。采用微焦 X 射线 CT 系统扫描碳纤维增强热塑性(CFRTP)织物材料获取内部结构,然后进行多尺度分析,模拟微观尺度的断裂行为。将测试系统的实测结果与 CAE 多尺度分析结果进行对比,论证该技术的价值。 微观结构的生成 为利用均质化技术预测材料的物理性能参数值,需要提供用于分析模型的微观结构形态作为已知量。使用 Ansys®的 Multiscale.SimTM 插件基于微观结构的形态参数生成模型,对默认的结构数据(模型1)和采用微焦 X 射线 CT 系统(inspeXio™ SMX™-225CT FPD HR, Shimadzu)扫描的 CFRTP 织物材料生成的结构数据(模型2)进行虚拟材料测试/数值材料测试(NMT)。 将图像数据导入 Simpleware […]

航空航天零件的增材制造与质量控制【Simpleware应用】

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概述 增材制造(AM)是航天工业中非常有价值的工具,特别是与无损检测方法相结合,例如通过X射线计算机断层成像检测和分析缺陷;与有限元建模(FEM)相结合可以量化零部件中缺陷产生的影响。 本项目对用于 TARANIS 卫星的铝合金AM零件进行分析,确定材料内部孔隙的位置。利用 Simpleware 软件生成的有限元模型验证其结构完整性,采用随机振动模型与 CAD 建模和拓扑优化的结果进行对比。 亮点 使用 Simpleware ScanIP 软件对铝合金零件的X射线 CT 数据进行分割和处理使用 Simpleware FE 模块生成用于可在 ANSYS Workbench 中进行仿真的模型结果验证了 AM 方法用于比较CAD模型和设计零件,用于空间任务的应用 图像处理 利用 X 射线 CT 扫描获取包含缺陷的铝合金零件图像数据。采用 Simpleware ScanIP 软件从图像空间中分割出构件的主体,创建结构的初始掩模;删除与主体无连接部分的掩模区域。使用 Paint 和 Paint with threshold 工具精准分割结构,减少金属伪影。然后对分割后的几何结构进行平滑处理,增加网格划分前表面的平滑度。 图:在 Simpleware ScanIP 中由 CT 数据分割出铝合金 AM 零件 网格划分&有限元分析 图:在Simpleware生成可导出至ANSYS Workbench的网格模型 运用 Simpleware FE 模块的算法对结构进行网格划分,在保持感兴趣特征细节的同时自动生成粗网格。在结构顶部设置网格精细区域,并在螺孔区域添加节点集。最后将生成的网格模型导出至 ANSYS […]

全髋关节置换植入物定位【Simpleware应用】

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概述 植入物定位是全髋关节置换术的一个重大挑战。植入物必须要很好的适合并放置在髓管内,尽量使股骨—植入物的接触面积最大化。然而植入物位置的实验测试会超出成本的限制。另一种选择是使用计算模型在产品研发初期就综合分析植入物的位置。尽管这种方法并不是为了取代实验,但它可以帮助外科医生更好地理解植入位置对原发或继发稳定性的影响。结合 Simpleware 软件与 ANSYS 创建自动化的工作流程,整合 CAD 设计的植入物和股骨 CT 扫描,生成用于微动分析的有限元模型。模拟结果生成的响应面证实了位置变化对微动的影响。 亮点 在Simpleware软件中整合CAD植入物和股骨CT扫描在Simpleware软件中生成FE网格通过脚本自动生成多组植入物位置/方向在ANSYS Workbench中进行植入物微动的模拟对结果进行后处理并生成响应面预测植入物位置的最佳和最差情况 图像处理和CAD整合 使用Simpleware ScanIP和Simpleware CAD将由CT扫描进一步处理获得的分割后的股骨模型与CAD设计的植入物结合。然后利用Simpleware FE生成有限元网格,导出至ANSYS Workbench中进行微动模拟。通过Simpleware API运用Python脚本自动生成多个植入位置,而无需耗费大量时间手动调整。 图:使用Simpleware CAD将分割后的股骨与CAD设计的植入物结合 FE网格生成 在本例中,为每个植入位置生成有的限元网格包含股骨的约10000个节点和38000个单元,钛金属植入物模型约2000个节点和6000个单元。采用Simpleware软件的自动转换算法基于原始扫描的CT值(Hounsfield单位,HU)为股骨分配标准材料属性。为模拟约束和加载条件给植入物和股骨添加节点集,在植入物—骨界面处的网格细化也增加了模拟的真实性。 图:使用Simpleware FE对股骨和植入物进行网格划分 应力分析&响应面模型 将初始的有限元模型导出至ANSYS Workbench,在上千个可能的候选的基础上产生成功的微动模拟。利用Kriging回归法对425个成功模拟点进行插值,生成响应面模型(RSM)。 ANSYS Workbench模拟可以利用RSM确定导致微动最高和最低可能值对应的植入位置。外科医生可以根据这些结果解释和预测植入物的最佳和最差位置。 图:在ANSYS Workbench中获得的最佳位置(左)和最差位置(右) 结果:最佳/最差的植入位置 利用Simpleware软件和ANSYS结合图像数据与有限元分析,成功地开发了一种用于分析植入物与股骨间相互作用的自动化工具。采用的响应面方法使人们深入了解微动对定位的敏感性。 随着该工具可行性的建立,进一步的工作可以集中在研究多个植入物设计在患者群体的分析。因此除了植入物研发之外,该工具在手术规划方面也有非常重要的应用。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/total-hip-replacement.html。

逆向工程在汽车零部件设计中的应用【Simpleware应用】

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概述 考虑到所用材料的复杂性和处理图像数据时对精度的需求,对汽车零部件进行逆向工程和分析是一个很大的挑战。 在本项目中,研究人员利用Simpleware ScanIP克服上述困难,将气缸盖的CT数据转换为适合检测缺陷和可导出为模拟准备的网格化高质量三维模型 为进行热模拟分析和考虑到铸造铝件时空洞的影响,因此将重点放在气门座的分割上。 亮点 从CT扫描获得3D图像数据在Simpleware ScanIP中进行可视化和初始分割使用形态学开滤波器和3D编辑工具改善气门座的分割在Simpleware FE中对处理后的图像数据进行网格划分将为模拟准备好的网格导出至LS-DYNA®进行热结构分析 可视化和图像分割 利用工业CT扫描设备以0.4mm×0.4mm×0.5mm的分辨率获取气缸盖的成像数据,并导入Simpleware ScanIP中。利用体积渲染、不透明度设置和颜色映射工具根据其底层灰度值进行可视化和重建数据,故此能够检测到铸件中微小缺陷/空洞。下一步的分割要将气门座与气缸分开。 气门座的3D编辑 在Simpleware ScanIP中,使用多种图像处理工具的组合将气门座从气缸盖中分割出来。初始阈值可以快速为各组件创建独立的掩模,在选中的感兴趣区域(ROI)使用形态学滤波器处理模型。利用Simpleware的3D编辑工具,在气门座周围创建一个3D ROI,用形态学开放滤波器去除小范围的噪声。这些工具使气缸盖中气门座的多部位分割更加准确和清晰。 图:使用Simpleware的3D编辑工具去除气门座周围的小范围噪声 结果 采用Simpleware FE对分割后的图像数据进行网格划分,并导入LS-DYNA®初步分析气缸盖中有无空洞对图像的影响。在考虑进气温度和排气温度的情况下, 比较有无空洞时空洞周围的主应力。该方法有助于深入了解零件在不同制造条件下的潜在性能,为缺陷分析奠定了未来研究的基础。 图:在LS-DYNA中分析气缸盖中有无空洞所造成的影响 参考 致谢与其他信息请参考英文原文。

探究睡眠呼吸暂停【Simpleware应用】

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概述 理解如何维持气道通畅的基础是咽部被动机械变形对上气道塌陷的作用进行分析。本项研究首先在 Simpleware 软件中使用 CT 扫描数据创建了精细的 3D 解剖模型,然后采用有限元分析(FEA)方法研究变形情况。结果与体内试验及文献报道吻合较好,可以作为更全面地模拟人上气道塌陷和治疗阻塞性睡眠呼吸暂停的起点。 亮点 从 CT 获取人体上气道图像数据在 Simpleware ScanIP 中重建 36 个不同的解剖结构在 Simpleware FE 中生成有限元网格并施加内气道压力边界条件在 ANSYS Workbench 中进行气道变形模拟 图像处理和网格生成 采用多层螺旋 CT 扫描仪获取一例 79 岁男性的正常气道 CT 扫描数据。通过 Simpleware ScanIP 对 DICOM 文件进行三维重建和分析。对整个图像应用二值化的中值滤波以降低噪声;采用噪声曲率流滤波器促进区域内平滑、抑制区域间平滑、去除噪声,增强灰度边界。对36个单独的组织、骨骼、软骨、韧带、肌肉和膜的解剖结构进行分割。采用递归高斯平滑对分割后的结构进行平滑处理,进一步降低噪声水平,减弱锐利的边缘。将模型的下侧裁剪至声带附近,从而减少 FEA 的计算需求。 图:用于 FEA 的三维模型渲染图。每个数字和不同颜色代表特定的解剖结构。 使用 Simpleware FE 创建由正四面体单元组成的网格,进行局部网格细化和额外的网格改进措施。多部分网格在接触界面上具有共享节点,在气道壁上定义的节点集施加内气道压力边界条件,并在立方体域边界与模型的界面处定义节点集;在这里也采用了固定边界条件。 模拟结果 划分的网格和节点集以 .cdb 格式导入 ANSYS Workbench 进行模拟。在 Image J 中分析横截面积,证明网格已收敛。在小变形的限制下估算被动咽部组织的性质,以线性弹性作为合理假设。 在不同气道压力下分析口咽部和腭咽的横截面积,确定大气压(零)附近的面积随压力的变化斜率,并与已发表的放松状态下已麻醉正常人的体内实验数据进行比较。研究结果提供了新的理解,有助于进一步基于图像建模研究,也有助于针对口腔压力治疗设备进行新型医疗器械设计。 图:在基于三维 CT 的人咽部有限元模型中,整体和定向局部变形的矢状断面视图。(A)总变形;(B)横向变形;(C)前后向变形;和(D)垂直向变形 参考 致谢请参考英文原文;Carrigy, N.B. et al., 2016. Simulation of muscle and adipose tissue deformation in the passive human pharynx. Comput Methods Biomech […]