基于MSC.Software的医学临床应用研究
张 华   王兆远
(上海申模计算机系统集成有限公司)

摘  要：针对生物力学分析的研究已有较长时间，但结合医学临床应用的相对较少，主要是因为建立人体数模、定义边界和建立约束条件较为复杂，生物力学软件的应用分析大都建立在一定的经验基础之上，同时，还需要建立适合东方人的标准数模。这些因素，限制了生物力学软件的临床应用。医学影像技术的改进，提高了活体三维复杂数模的建模质量；CAE软件可使用性的改进和推广普及，可视化和虚拟设计概念为医学界接受，使得生物力学分析研究能够从实验室走向临床应用。本文基于MSC.Software开展活体三维建模应用研究，并着重叙述MSC.Marc、MSC.Adams、LIFEMOD软件组合进行生物力学分析的基本步骤，临床应用前景，以及临床应用中存在的问题，给出了实验模型。

关键词：MSC.Software；数模；生物力学分析；临床应用

1 前言

开展生物力学分析研究工作已有较长时间，主要集中分析生物标本、医疗器械、汽车和其它设备等与生物体接触过程中的受力情况，如：生物标本放置于生物材料实验机上进行力学分析的拉伸、冲击、疲劳等实验，同时与CAE软件的分析结果进行比较，验证CAE分析的准确性；另，针对医疗器械、汽车和其它设备，采用CAE分析技术以减少实物实验的时间和节省成本，通过CAE软件模拟不同条件、状态下的情况，使设计人员进一步理解疲劳、生物运动、人体步态、碰撞安全测试等研发问题。生物力学分析工作主要以比较和设计为主，与用于辅助医学诊断、术前设计和术后分析的医学临床应用研究仍然存在一定差距。

开展医学临床应用研究，涉及以下技术关键，并需要解决相关的问题：

• 生物体复杂三维数模的建模：因生物体的形状复杂，通常的CAD软件，存在建模时间长、难度大等不足；
• CAE分析软件简单易用：使医生能把大量的时间和精力用于给病人治病，而不是在软件的使用上；
• 多学科交叉组合软件用于复杂数模的CAE分析：生物体的复杂性使得生物力学分析涉及应力、机构、振动、非线性材料、跌落、撞击、疲劳等。以往按工业行业分类的CAE分析软件，用于生物力学分析，成本高、效率低，给医学上的临床应用研究带来困难；
• 经验数据库的建立：辅助医生利用CAE的分析结果进行临床病例分析；
• CAE软件公司积极参与并投入资金，联合开展医学临床应用研究，有助于加快临床应用研究的步伐。

MSC 公司的CAE 解决方案涵盖应力、机构、振动、噪音、非线性材料、跌落与撞击、疲劳、机械加工（锻造、板金与焊接）、控制、电子、流体等不同领域，且不同软件可相互整合应用，以协助解决各种问题。其中，MSC.Software在生物医学工程上已取得成功应用，包括心导管支架、骨骼肌肉系统力学、骨科植入、牙科植入、步态分析、车辆撞击时人的安全、人工关节、心脏节律器、隐形眼镜、人工脏器等；MSC.Marc具有非线性、接触、多种物理场、复合场耦合等分析功能，以及丰富的材料数据库、网格自适应功能、开放的用户环境和二次开发功能，尤其适合生物力学分析中进行非线性计算；采用MSC.Adams的机构运动模拟功能，再结合人体模型功能模块LIFEMOD，使得生物力学分析中机构模拟的功能得到大大加强。

2 生物体复杂数模的建模

生物体的建模一直是困扰生物力学分析的难题，因为生物体的模型非常复杂，通常的CAD软件建模需花费大量的时间，且只能对规则形状数模进行建模。例如，Materialise公司专用于医学影像数据三维建模的软件MIMICS可以在一定程度上解决该问题，MIMICS软件是基于医学影像设备输出的DICOM文件格式数据进行三维数模的建模，如CT 和MR等设备。 通常认为MIMICS只能重建骨头的三维数模，但随着CT、MR技术的不断完善与进步，采集获得的数据质量得到提高，基于三角网格的特定软组织三维重建已成为可能，如肌肉、肌腱、血管、心脏（64拍CT采集数据）、肝脏等。通过基于CT、MR的三维数模数据融合可构建复杂模型，使得生物力学分析模型已由简单向复杂过渡，其三维建模数据已能够用于以下有关医学领域的研究：

• 利用CT、MR数据并基于三角网格三维建模数据融合后的应用研究（快速原型制作、受力分析、假体设计、虚拟现实）；
• 利用采集病人（活体）得到的数据，基于三角网格，开展三维重建数模在临床上的应用研究工作，即术前（是否手术）、术后分析（对比）和手术设计（模拟手术）；
• 神经外科颈椎、腰椎受力分析中复杂模型建模；
• 脑外科涉及血管、神经和其它组织三维建模后空间关系表述；
• 软组织的快速原型制作研究等。

图1所示为采用MIMICS生成的带有肌腱的膝盖骨三维建模数据，图2为CT和MR数据融合后的髋骨与肿瘤建模数据，通过将软组织和骨组织在同一空间表述，使得生物体建模由简单逐渐向复杂过渡，受力分析结果更加能够接近生物体的真实状况。

MIMICS具有丰富的材料数据库，可对数模赋于不同的材质，主菜单中的EXPORT中具有Patran和Nastran数据格式转换功能，转换出的数据可直接进入MSC.Marc、MSC.Adams、LIFEMOD中，其材料赋值在上述三种软件中全部可识别，且可代替LIFEMOD相应标准数模的某一数模。

            图1  带有肌腱的膝盖骨三维重建

            图2  CT和MR数据融合后的髋骨与肿瘤

3 LIFEMOD 的应用

LIFEMOD作为MSC.Adams的一个插件，提供了一个完整的建模环境，可以建立主动或被动的生物力学模型，并可使之与外界环境、工具、设备以及任何其他生物交互作用。这项技术使工程人员能够更加深入地了解在生物运动背后所隐藏的生物力学以及生物控制策略等方面的信息，同时，因LIFEMOD在机构定义和标准数模上具有优势，使得病人的数模能快速代替标准数模，完成边界定义和约束，完成分析的时间大大缩短，效率得到提高，使得生物力学在临床上的应用成为可能。
利用图1所示用MICIS所做的带有肌腱的膝盖骨三维建模数据，建立LIFEMOD中的生物力学模型如图3所示，该模型是LIFEMOD膝盖运动的标准模型。
 

 

 

 

图3  LIFEMOD中的膝盖运动边界及约束定义

4 MSC.Adams 的应用

MSC.Adams是较好的机构模拟软件。其中，Adams/Solver Package核心求解器，使用Euler-Lagrange方法自动生成动力学微分代数方程组，提供多种复杂而灵活的变步长或定步长数值积分方法进行求解。内置的表达式描述语言，有助于用户定制仿真流程以描述复杂运动工况；支持子程序，用户对于Solver的扩充与定制；采用共享内存技术，支持一个节点多个CPU机器；Adams/View和Post Processor可视化前后处理环境，使得输入便于改进设计，输出结果能够供医生和病人更好地进行交流。MSC.Adams的扩展产品有弹体自动生成和分析模块，线性化、振动、耐久性、试验分析模块。当然，非线性计算也可以在MSC.Marc中进行。

            图4所示髋骨三维建模和人骨骼发育成熟前还有骨骺的股骨运动模拟。

             图5  髋骨三维建模和股骨运动机构摸拟

5 MSC.Marc的应用

MSC.Marc可针对结构进行线性静力、非线性静动力分析、屈曲分析，刚塑性分析、粘塑性分析、弹塑性分析、超塑性分析、超弹性分析，结构对称性、周期性、先轴对称分析后3-D分析，子结构分析、灵敏度分析和优化设计，接触分析、初始状态和局部分析、失效和断裂分析等。

MSC.Marc的功能特点为：能够结合LIFEMOD，专门适合用于生物力学计算；全球领先的自动接触算法，接触体不需要定义接触界面和主从关系；基于直接约束算法可处理非线性静、动力计算；丰富的材料数据库；交替网格自适应，计算精度高（3%），计算速度快，可用多台计算机并行计算，任何操作系统都支持；二次开发功能已得到加强；有自动启动功能，可修改相关边界条件；与Adams一体化结合，使得医学上常用的非线性计算和机构模拟都可以得到实现，是生物力学分析应用于医学临床应用研究较好的软件。南方医科大学利用MSC.Marc有限元软件对下颌颏部撞击试验进行了模拟，分析结果和实验结果有很好的一致性[1]。

    因MIMICS输出的Patran和Nastran为面网格，而MSC.Marc是在体网格上完成有限元受力分析，此时，在MSC.Marc的数据输入部分，需要将面网格转换成体网格。图5给出了下颌骨建模和有限元分析结果。
           

图6  下颌骨建模和有限元分析

6 结论

针对生物力学分析的研究已有较长时间，但结合医学临床应用的相对较少，主要是因为建立人体数模、定义边界和建立约束条件较为复杂，生物力学软件的应用分析大都建立在一定的经验基础之上，同时，还需要建立适合东方人的标准数模。这些因素，限制了生物力学软件的临床应用。医学影像技术的改进，提高了活体三维复杂数模的建模质量；CAE软件可使用性的改进和推广普及，可视化和虚拟设计概念为医学界接受，使得生物力学分析研究能够从实验室走向临床应用。

同时，活体生物体的复杂数模的模拟涉及多学科。例如，针对带有肌腱的膝盖骨三维重建和运动机构模拟，开展进一步研究就涉及软骨间润滑液的模拟。MSC.Marc理论上可以做这方面的计算，但仍然缺少开展这方面分析的业绩。当然，MSC的其它产品也可以很好地完成润滑分析工作，但需要购买另一套软件，无形中会增加临床应用的成本。利用MSC新近推出的多学科仿真软件产品MD Nastran，可以提供全面的多学科仿真解决方案，综合了MSC众多产品的功能，适合用于生物力学分析，只是目前仍然缺乏在生物力学应用方面的案例。

总之，生物力学分析在医学临床应用上的研究工作只是刚刚起步，研究工作也是初步的。这给有关软件产品开发商提供了机会，为软件产品在后续医学临床应用上的推广普及创造条件，可以获得更多的商机。

参考文献
[1] 张美超，赵卫东，刘阳。下颌骨有限元模型的建立及外力撞击下应力分析。2005年MSC Software中国用户论文集，P161。