预防性骶骨敷料的多层结构设计模拟【Simpleware应用】

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概述 骶骨是仰卧时发生压力性损伤(PIs)包括深部组织损伤的最敏感部位。预防性敷料通常设计用于减少摩擦、减轻内部组织剪切载荷、管理“微气候”,整体缓冲骶骨下软组织持续变形。 在本案例中,研究人员使用 Synopsys 公司的 Simpleware 软件基于 MRI 图像数据创建了臀部的三维有限元模型,用于研究仰卧或 45° 半坐卧在标准的医院泡沫床垫上时预防性骶骨敷料设计的生物力学性能。 亮点 通过模拟可以更好地了解医院的泡沫床垫对压力相关患者的损伤。Simpleware 软件快速准确的3D图像处理工作流程有助于缩短时间,增强对结果的信心,且可广泛应用于不同场景。持续性的研究可为选择和设计敷料以减少损伤的风险提供重要信息。 工作流 获取一名 28 岁女性受试者负重臀部的 76 张 T1 加权轴向 MRI 切片在Simpleware ScanIP 中进行图像数据分割和模型变形在Simpleware FE 中生成 3D 有限元模型,导出至 FEBio 的 PARDISO 求解器分析多层结构和持久的各向异性特性是对预防性敷料有利的重要特征 从 MRI 到三维图像处理 首先获取一名 28 岁健康女性受试者负重臀部的 76 张 T1 加权轴向 MRI 切片,使用 Simpleware ScanIP 分割出骨盆骨骼、股骨、骨骼肌和软组织。本研究应用相关的感兴趣区域(VOI)体积模型为 6.7×2×5.1 cm3 的立方体,包含骶骨和周围软组织。接下来,引入需要测试的3层预防性敷料,即聚氨酯泡沫层、无纺布纤维层和空气铺垫层,作为建模中的物理层。运用 Simpleware ScanIP 的三维编辑工具将模型化的敷料修整为典型的心形几何结构。 图:MRI切片和Simpleware […]

利用有限元分析优化个性化的上颌植入物设计【Simpleware应用】

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概述 Jajal Medical 公司使用 Simpleware 软件将患者的扫描数据(如CT、MRI)转换为适用于可视化和规划复杂手术的 3D STL 格式和有限元(FE)模型。数字化手术规划有助于降低手术期间意外并发症的风险、缩短手术室(OR)时间、节省资金以及改善临床结果和患者满意度,因此此类工作流程变得越来越有价值。 在这个案例中,患者被确诊为毛霉菌病,导致左上颌骨大面积缺损,Jajal Medical 需要为其优化个性化的上颌植入物设计。过程中运用到 Simpleware 和 Ansys 两款软件。 亮点 使用 Simpleware ScanIP 导入和可视化 CT 扫描,分割出骨骼使用 Ansys 软件进行骨骼/医疗器械间的交互模拟3D 打印患者特定骨骼模型和个性化植入物虚拟手术规划协助最终的手术和植入 3D可视化和分割 采用适当层厚的高分辨率 CT 扫描数据可视化上颌解剖结构及邻近区域。在 Simpleware ScanIP 软件中导入 CT 数据,执行分割并重建 3D 解剖模型,帮助外科医生更好地可视化和理解手术。 图:采用Simpleware软件分割颅骨CT数据 个性化植入物的设计 鉴于患者左侧上颌骨骼明显缺失,在 Geomagic Freeform 软件中以健康的右侧作为参考设计上颌植入物。然后将健康的右侧上颌骨镜像并与现有上颌重叠。这种方法有助于在缺损处重建上颌骨,确保对称性和美观。此外,在植入物的表面添加孔可以达到减重效果。考虑到牙齿康复,同时将标准基台的印模也合并到植入物中。 图:个性化上颌植入物的设计 有限元分析 最终位置确定后,将文件加载到 Ansys 软件中处理。Jajal 采用有限元方法解决涉及复杂几何形状的医疗结构问题,虚拟模拟实时加载条件、评估植入物应力和疲劳,继而帮助优化设计。对个性化的上颌植入物与上颌骨一起分析,研究植入物的设计安全性和性能表现。在 Ansys 中进行真实加载条件下的虚拟仿真,了解植入物设计上的应力情况。结果显示植入物上的 Von Mises 应力为 93.29 […]

利用丰田的THUMS虚拟人体模型开发评估漏斗胸的有限元模型【Simpleware应用】

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概述 基于成像数据的人体虚拟测试对于缓解生理实验的伦理和实际问题具有非常重要的意义。在本案例中,日本 JSOL公司和长野儿童医院将丰田公司虚拟人体模型(THUMS)的安全测试应用拓展到解决漏斗胸建模的医学挑战,漏斗胸是胸廓畸形的一种。 本项目使用 Simpleware 软件使用适合用于变换到 THUMS 的精细 FE 模型的 CT 数据,创建真实患者的胸部结构,为模拟术后肋软骨的生长提供了基础。 亮点 丰田公司的高精细 THUMS FE 人体建模软件适用于医学图像数据和病理学研究使用 Simpleware 软件由 CT 数据生成模型基于图像模型和 THUMS 的图形变化提供了详尽的仿真资源THUMS 创建的模型向未来的临床模拟提供更多选择 THUMS 的开发 THUMS 于 2000 年首次发布,是丰田汽车公司和丰田中央研发实验室合作研究项目的成果,也是世界上第一个用于重现和分析车辆碰撞过程中全身损伤的虚拟人体模型。由此产生的 THUMS 虚拟人体软件程序可适应不同的身体形态和环境,包含骨骼、大脑、内脏和肌肉。 图:THUMS中乘客模型的开发。 此外,THUMS 能够准确再现人体的形态和力量,同时也为重复不同碰撞模式的分析提供机会。因此在汽车行业,THUMS 能够在进行碰撞试验时显著减少开发时间和降低伦理风险。丰田公司从 2021 年 1 月开始无偿公开 THUMS 软件,旨在扩大其在汽车安全研究中的应用。SOL 公司和长野儿童医院为我们演示了如何将该模型应用到医学研究。 在漏斗胸研究中的应用 漏斗胸是胸前部的结构畸形,胸骨和胸腔形状异常,患者在出生或青春期胸部会出现塌陷或凹陷。手术干预中最常用的是 Nuss 微创手术,在凹陷的胸骨下植入弯曲的金属板,将胸骨支撑到正常位置,留置体内几年后取出。 在本研究中,JSOL 和长野儿童医院通过对一个 10 岁儿童的 THUMS 模型进行胸部变形处理,创建了重现患者骨骼形态和病理状态下的漏斗胸模型。然后他们利用热膨胀现象模仿术后肋软骨生长这种生理变化,从而模拟术后进展。 究人员参照患者的实际骨骼形态观察胸廓变形 漏斗胸模型的创建工作流程 […]

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。

增材制造个性化骨增量钛网的工程实现【Simpleware应用】

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简介 引导骨组织再生(guided bone regeneration,GBR)是一种口腔种植骨增量技术,在骨缺损区利用屏障膜维持空间并阻挡增殖较快的上皮细胞和成纤维细胞长入,保证增殖速度较慢的成骨细胞优势增长而形成骨。随着增材制造(常被称为“3D打印”)技术的发展,可利用计算机辅助设计(computer aided design,CAD)设计出与患者颌骨形态贴合并且具有预期骨增量水平的个性化钛网模型,在激光的作用下通过材料逐层累积将其“打印”出来,最终将这种个性化骨增量钛网用于引导骨组织再生手术。与传统钛网相比,增材制造的个性化骨增量钛网更加贴合骨缺损部位,极大缩短手术时长并降低钛网暴露率,尤其适用于大面积、解剖形态复杂的骨缺损病例。 个性化骨增量钛网工艺研发 对于增材制造个性化骨增量钛网产品,研发工程师与口腔种植科的临床医生和影像科医生组建钛网项目团队,经由主治医生获得患者的影像数据(CBCT产生的“.DICOM”数据)及其对患者预期骨增量的要求,同时主治医生还会提供患者的口内扫描数据、修复体和种植体规划数据等作为钛网设计的参考模型。研发工程师将“.DICOM”数据导入到Simpleware Scan IP软件中进行解剖结构的三维模型重建,包括患者骨缺损处的颌骨、邻牙及牙根、神经管(下颌病例)并将其导出为“.STL”格式的三维模型。使用光敏树脂材料将带邻牙的颌骨模型增材制造出来,用于个性化骨增量钛网的试配。以口腔修复为导向,根据主治医生预期骨增量要求,以及钛网与邻牙、神经等解剖结构的位置关系,同时考虑固定钛网用的钛钉尺寸和位置,设计出钛网的轮廓面。在Solidworks 软件中将钛网网孔的单胞结构填充于钛网轮廓面上并增加钛网的厚度为0.3~0.4 mm,导出“.STL”格式的钛网模型。下图显示了个性化骨增量钛网的设计模型及其与颌骨、钛钉和骨粉配合在一起的示意图。个性化设计出来的钛网模型可以进行有限元分析和静力学计算,以评估钛网植入后的生物力学性能。 图:个性化骨增量钛网的增材制造 图:个性化骨增量钛网设计模型,包括有严重骨缺损的下颌骨、个性化骨增量钛网、钛网固定钛钉和人工骨粉 在完成钛网的CAD设计和CAE仿真后,将钛网模型(“.STL”格式)进行增材制造工艺支撑和打印布局的设计,钛网及其工艺支撑按照25μm厚度进行切片,切片后的数据导入至增材制造设备MLab中,使用医用纯钛材料进行增材制造,所得产品在热处理后进行线切割和去支撑,经过打磨后进行喷砂处理,最后进行超声清洗以及灭菌杀毒,使用无菌包装将其封闭。主治医生在种植手术时将个性化骨增量钛网拆除包装直接植入患者口腔,在手术完成后拍摄即刻CBCT。 骨缺损颌骨三维重建和个性化骨增量钛网设计 根据每位患者的CBCT数据三维重建生成骨缺损颌骨模型,使用光敏树脂材料增材制造出用于个性化骨增量钛网试配和术前评估;依据临床要求对骨缺损颌骨进行“数字雕刻”,即通过模拟现实中蜡型雕刻方式制作数字化的模型,设计出满足预期骨增量要求的“完美”颌骨,在此基础上完成个性化骨增量钛网的模型设计。相较于传统钛网,采用“全程数字化”技术设计和制造的个性化骨增量钛网更贴合患者牙槽骨形态,避免了术中需要折弯剪裁的复杂步骤,节省大量手术时间;个性化骨增量钛网适合多种复杂骨缺损病症,为引导骨再生手术提供稳定的成骨空间,实现了种植术后功能重建和美学的可预期性。 图:由患者CBCT数据重建而成的骨缺损颌骨和个性化骨增量钛网模型 为了提高设计效率同时有效减小“金属伪影”对模型尺寸精度的影响,工程师开发出基于神经网络的深度学习算法,对目前已处理的200多例患者CBCT数据进行精准标注和训练,产生预训练模型用于解剖结构的分割、检测和分类任务,最终实现自动生成骨缺损颌骨和邻牙的精准三维模型。 结论 根据患者的解剖结构和预期的骨增量水平定制式设计出个性化骨增量钛网,通过有限元分析对钛网的设计模型进行验证,通过增材制造的工艺将其生产出来,同时在生产过程中增加“随炉试样”用以验证钛网成品的理化性能。增材制造的个性化骨增量钛网可以获得满足临床应用要求的性能,其临床上的长期有效性有待钛网植入后进一步的随访观察。 参考 张立强:增材制造个性化骨增量钛网的工程实现。中国口腔种植学杂志 2021 年 12 月第 26 卷第 6 期,第354~361页。

膝关节置换模拟

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患者个性化外科手术规划 360 Knee Systems 公司专注为全膝关节置换手术提供创新的技术解决方案。他们与骨科医生通力合作,提供动态、实用、针对患者的规划和模拟解决方案。 借助于 Simpleware 软件,360 Knee Systems 开发了针对患者的术前计划,这些计划依赖于创建患者骨骼几何结构的准确描述,以解决全膝关节置换手术的固有挑战。 特点 获取患者骨骼 CT 扫描结果在 Simpleware 中生成患者骨骼的三维模型进行分析和仿真科技使外科医生能够对患者进行个性化分析,从而优化手术计划和程序基于模拟的输出设计患者的个性化导板 生成3D模型 360 Knee Systems 获取患者髋部、腿部和踝关节骨骼的CT扫描,并将其导入 Simpleware ScanIP 中生成 3D模型,捕捉解剖结构的不同细节,达到了高质量和高细节的水平。然后使用 Simpleware CAD 模块执行基本的 CAD 操作,在患者解剖结构内定位植入物。精确的模型确保了模拟能够真实地进行。 图:Simpleware ScanIP中的膝关节分割 标注 为了能够更轻松地执行可重复性的操作,360 Knee Systems 与 Simpleware 的服务团队合作编写脚本,如优化分割过程和标记扫描的骨骼。在模拟中需要用到标志点创建轴和参考,因此精确的标志点是结构分析的关键。脚本的使用则大大减少了此任务所需的手动工作量。 图:在Simpleware ScanIP中为分割后的膝关节设置标志点 创建规划和导板 外科医生使用在 Simpleware ScanIP 中生成的 3D 模型为患者创建个性化导板。每个导板都是根据该患者的特定骨骼结构量身定做,旨在帮助医生确定合适的手术切口。360 Knee Systems 运用这些模型为膝关节植入物的最佳放置位置提供术前规划,外科医生也可以在术前就熟悉患者的骨骼结构。3D 打印的导板可以用来演示植入物的髌骨、股骨和胫骨组成部分的精确切割位置。 参考信息 致谢和更多信息请参见英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/knee-replacement.html

简化骨科手术规划

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概述 在为特定患者制定的全髋关节置换术规划中,Corin 公司将 Simpleware 软件作为其优化定位系统(OPS)工作流程的一部分,致力于精简 OPS 工作流程,消除分割和标记的瓶颈。使用 Simpleware AI 技术自动执行这些步骤有助于节省大量资源,将每个案例的图像处理时间缩短了94%。 通过利用这项技术,Corin OPS 提供了一个快速、可扩展、临床精确的术前规划平台,目前已在全球 2 万多个全髋关节手术中得到应用。 亮点 Simpleware 软件能够为 OPS 系统处理三维图像数据 在已部署 Simpleware 解决方案的最近更新中,通过 Simpleware 定制化模块的 AI 工具使得这个处理过程更精简和高效 OPS 技术已应用于 2 万余台手术 简介 过去十年来,包含患者个性化植入物、导板和手术规划在内的全髋关节置换术(THA)的数量迅速增加(参考:Haglin et al. 2016)。这种增长催生了更多患者需求,临床医生和医疗器械公司面临着越来越大的压力,要求他们快速、安全地交付和部署针对患者的个性化产品。在此背景下,为创建骨科切割导板、植入物和术前规划,需要用 MRI 和 CT 扫描获得的患者特定数据并创建三维模型。 优化患者特定工作流程的首要挑战就是在确保速度、效率和可扩展性的同时,保持临床准确性和合规性。在创建患者解剖结构的3D 模型时,通常需要由一组训练有素且很重要的生物医学工程师来完成此项任务;因此对于公司来说,部署一个高效且可扩展的流程,腾出工程时间、节约成本,从而更快地进入市场并保持最终产出的质量尤为重要。 Corin 公司基于 Simpleware 的优化定位系统(OPS)已经发展了十多年,开发并简化了 OPS 工作流程,优化全髋关节置换术的稳定性、寿命、生物力学和患者预后。最近,通过 Simpleware 定制化模块解决方案增加的基于机器学习 AI 技术,使 Corin 公司能够完全自动化地完成图像分割和标记的工作流程,从而实现了效率质的飞跃。这种自动化大大加快了工作流程,消除了分割和标记的瓶颈问题,使工程师能够专注于更高价值的任务。 Simpleware […]

Simpleware 用于骨科的 3D 图像处理

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患者特定植入物和医疗器械设计 Simpleware 软件可进行医学图像分割、医学图像处理和骨科用模型生成。为探索设计和模拟真实场景,使用 3D 医学图像软件工作流程可深入了解患者特定的植入物设计并节省时间。 Simpleware 软件已获得 CE 标志和 FDA 510(k) 市场许可,适用于以下应用。 可视化和处理图像数据 使用 Simpleware 软件可轻松重建 3D 医学数据,并对骨骼和组织结构进行可视化和分割。 可视化和查看 2D 和 3D 图像数据医学图像定位叠加使用半自动化工具识别感兴趣区域获取中心线生成动画 测量和计算统计 利用一系列测量工具和统计方法从您的医学影像数据中获取详细的定量信息。 测量气道和血管,放置标志点获取中心线计算统计范围(体积、表面积、材料性质、平均灰度…) 整合 CAD 和图像数据 Simpleware软件可以将骨骼、软组织结构(如膝盖中的软组织)与 CAD 设计的医疗器械(如股骨和胫骨植入物)相结合,使用户能够: 将 CAD 设计的医疗器械放置在图像数据中进行检查和测量使用标志和其他表面工具量化模型为 3D 打印导出多组件 STL 文件或为进一步分析将体积网格导出至 FE(有限元)求解器避免在 CAD 程序中使用基于图像的数据,并在探索手术变异性时简化网格生成 导出强壮的 FE 网格 在 Simpleware 软件中,您可以借助于强大的 FE(有限元)网格化软件工具将分割的医学数据转换为可用于仿真的、强壮的多部件模型: 生成具有一致界面和共享节点的网格,无需在其他软件中做进一步处理为模型定义边界条件,划分边界层网格,添加自定义模拟空气和流体流动的导入和导出针对特定指标优化网格质量为 3D 打印导出 STL 文件无需在 FE(有限元)求解器中重新划分网格 […]

Simpleware 用于即时医疗 3D 打印

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解剖学 3D 打印有助于获得更好的患者干预结果 Simpleware 软件可以快捷地将医学图像数据转换为 3D 模型,方便进行术前规划和 3D 打印。使用该软件生成严密的 STL 文件可直接导出至 3D 打印应用程序。通过结合图像和 CAD 数据评估体内植入物的位置,从特定患者的图像中获取更多信息。利用工具来可视化和测量医学图像数据,以及导出适合 FE/CFD 模拟的网格。 为什么使用 Simpleware 软件进行即时医疗 3D打印? Simpleware 软件提供大量图像处理和 3D 打印的工具,使您能够用最短的时间和最少的精力生成患者特定解剖结构的高质量模型。您还可以使用 3D 打印模型进行交流、培训和告知诊断决策。 易学易用:直观的界面可以使您快速轻松地访问所有工具和功能 准确可靠:生成用于练习和规划复杂手术程序的高质量解剖模型 可定制:通过脚本和插件即可自动执行可重复的任务和操作 可打印:直接连接到绑定的 3D 打印机,保证协同工作 技术支持:任何用户能获得应用工程师专家团队的全力技术支持 FDA、CE和ISO认证:软件已获批用于端到端诊断 3D 打印 诊断 3D 打印获 FDA 510(k) 许可 Synopsys 与 3D 打印机公司合作,提供集成的端到端即时医疗解决方案,涵盖从 DICOM 到 3D 打印的整个工作流程。 Simpleware 用于即时医疗 3D 打印 […]