ANSYS生物医学工程应用
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© 2012 PERA Global 17
骨骼建模
挑战
复杂且特殊的几何体 材料属性随孔隙度变化 复杂的装配结构 骨骼 韧带 软骨
价值
Image courtesy National Technical University of Athens
可重复建模 方便地针对特定病人的生理特性进行 调整 成本低 方便地对极端工况进行参数化研究 手术原型的评估 变化的材料属性（E，v）
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6
有限元方法应用
– 凡是场的问题，都可以用有限元方法来完成
• 结构/位移场：飞机的振动，汽车的疲劳 • 热/温度场：电子产品的发热，钢材的加热
• 电磁/电磁场：变压器，波导，天线，隐身
• 流体/流场：飞机的气动，加热炉内的燃烧
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人工髋关节
挑战
不同患者髋关节形状不同 材料属性随孔隙度变化 骨骼的易碎性 如何使病人康复时间最小
价值
再涂层髋部假肢
虚拟测试不同的髋关节 根据不同患者的生理特点进行调整 节省费用 对于极端工作条件可以进行参数化 建模 方便进行手术原型的设计 方便地描述变化的材料属性
1. Gain enough confidence in your prototype to reduce the number of experiments 2. Develop a reliable model of the interacting components within the system 3. Include the medical devices environment(s) into the model
Opportunities
Ageing Population
Rising Health Care Cost
© 2012 PERA Global
Accessible Health Care
4
计算机辅助工程（CAE）
CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工 程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合，而
© 2012 PERA Global Some pictures, courtesy of CADFEM, Materialise 15
Designing Reliable Orthopedic Implants
• Design Challenges:
• • • • •
‘Few models fit all’ strategy Complex geometries with complex movements Long and tedious testing and approval process Please FDA and patients Early PDP testing virtually impossible Nonlinear material properties & contact model Parametric model and customizable data base Smooth interface to biomedical software Extensive network of key partners DX for DoE
Cardiovascular
Any device used to ensure a perfect blood circulation or address any cardiovascular issues
Hip prosthesis
Jaw implant
Knee joint
Stent
Pacemaker / ICD
Any device or system contributing to properly take care of patients in hospitals or at home
MRI
Monitoring
Portable Monitoring
Hospital Equipment
Hospital Supplies
研究对象的不同
– 生物结构力学
• 骨，口腔，软组织等
– 生物流体力学
• 血液，组织液等
– 运动生物力学
• 多刚体，体育，步态等
© 2012 PERA Global
3
生物医学的发展趋势驱动医疗设备的研发
Threats
Increased Regulation
No Mercy for Failures
Medical Cons Goods
© 2012 PERA Global
14
Orthopedics
Challenges
• Patient-specific geometry
• Continuously varying materials properties (porosity, density, Young’s Modulus) • Bone fragility (osteoporosis) • Minimizing patient recovery times • Transient loads Benefits of CAE • Testing different prostheses / implants designs • Including patient-specific physiology • Investigation of different scenarii and impact on the bone / implant interface • Virtual prototyping on a large number of virtual patients • Various pathologies considered during design
Cardiac valve
Heart valve
Diagnosis & Personalized Medicine
Stationary or portable monitoring system for continuous or occasional use
Medical Equipment & Supplies
形成的一种综合性、知识密集型信息产品。
CAE软件广泛应用于各个行业领域 CAE软件分类
– 有限元计算软件 – 计算流体力学软件 – 电磁学计算软件
© 2012 PERA Global
5
有限元方法概述
• 有限元方法（FEM）
– 一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续 体力学问题的数值方法。 – 有限元方法就是把复杂形体用大量简单形体堆积，先处理简单的形体， 在推演处理复杂的形体，使得复杂问题简单化； – 这每一个简单形体称为一个单元，单元越小，堆积出来的形状越接近 真实形体； – 有限元方法解决问题时首先将复杂的形体划分成网格，每个网格就是 一个单元，网格分的越细，计算越精确。
– ANSYS仿真工具发挥着越来越关键的作用
ANSYS技术成功地被生物医学行业所采纳
– 风险管理 – 过程预测
– 加速产品研发
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Courtesy of FluidA nv, Belgium
10
生物力学与ANSYS技术
仿真手段三十多年前开始成为生物力学的一项研究工具
© 2012 PERA Global 19
椎弓根螺钉
挑战
如何确定螺钉在颈椎头部区域的安装位置 要防止任何滑动（螺钉/骨骼） 防止破坏骨质
© 2012 PERA Global
Courtesy of Dept. of Biomedical Engineering Yonsei University
11
生物力学与ANSYS技术
生物医学行业CFD技术属于较新的技术
Pathlines through the aortic valve during the opening phase at opening angles of 37.5°; pathlines are colored with respect to pressure values
ANSYS技术在生物力学的应用进展
© 2012 PERA Global
目
录
生物力学与ANSYS技术
Hale Waihona Puke Baidu
ANSYS技术在生物力学的应用案例
ANSYS技术发展趋势
总结
© 2012 PERA Global
2
生物力学
生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的 生物物理学分支 生物力学是解释生命及其活动的力学，是力学与医学、生物学等多种学 科相互结合、相互渗透而形成的一门新兴交叉学科。 研究范围：生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)
有限体积法(Finite Volume Method，FVM)
© 2012 PERA Global
8
有限元分析软件
CAE技术分析实现的最后载体是经技术集成后的CAE分析软件
软件基本构成
– 前处理器
– 求解器 – 后处理器
© 2012 PERA Global
9
生物力学与ANSYS技术
仿真技术在生物医学行业有显著的增长
© 2012 PERA Global
12
目
录
生物力学与ANSYS技术
ANSYS技术在生物力学的应用案例
ANSYS技术发展趋势
总结
© 2012 PERA Global
13
生物力学分析的主要方向
Orthopedic
Implant & prosthesis used to fix bones and articulations troubles
• ANSYS Capabilities:
• • • • •
• Key products: Mechanical, DX, EKM, HPC • Software partners: Anybody Technologies, Simpleware / Materialise
Pictures: Courtesy of ANYBODY Technologies, M. Kubicek & Z. Florian, Institute 16 © 2012 PERA Global of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics, FME VUT Brno
7
计算流体力学概述
计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)是
使用数值方法在计算机中对流体力学的控制方程进行求解，从 而可预测流场的流动。 CFD的基本思想：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的 场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的 集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上 场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变 量的近似值。
流体系统：更复杂、强非线性
CFD计算将新添入FDA标准审批流程
Courtesy Dept of Bioengineering, Politecnico di Milano, & Laboratory of Biomedical Engineering, Istituto Superiore di Sanità, Rome, Italy
Engineer the System
•
Medical devices are relatively complex systems made of components interacting together within a dynamic environment (e.g. human body)
– In vivo（in the living system） – In vitro （in the test tube） – In-Silico （ silico-based technology in computer ）
整容装置和修复装置设计的基础研究工具
医疗设备仪器设计的支持 FDA明确规定在对人体 /动物进行试验之前需要做有限元分析 Design of medical and sport insole
骨骼建模
挑战
复杂且特殊的几何体 材料属性随孔隙度变化 复杂的装配结构 骨骼 韧带 软骨
价值
Image courtesy National Technical University of Athens
可重复建模 方便地针对特定病人的生理特性进行 调整 成本低 方便地对极端工况进行参数化研究 手术原型的评估 变化的材料属性（E，v）
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6
有限元方法应用
– 凡是场的问题，都可以用有限元方法来完成
• 结构/位移场：飞机的振动，汽车的疲劳 • 热/温度场：电子产品的发热，钢材的加热
• 电磁/电磁场：变压器，波导，天线，隐身
• 流体/流场：飞机的气动，加热炉内的燃烧
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人工髋关节
挑战
不同患者髋关节形状不同 材料属性随孔隙度变化 骨骼的易碎性 如何使病人康复时间最小
价值
再涂层髋部假肢
虚拟测试不同的髋关节 根据不同患者的生理特点进行调整 节省费用 对于极端工作条件可以进行参数化 建模 方便进行手术原型的设计 方便地描述变化的材料属性
1. Gain enough confidence in your prototype to reduce the number of experiments 2. Develop a reliable model of the interacting components within the system 3. Include the medical devices environment(s) into the model
Opportunities
Ageing Population
Rising Health Care Cost
© 2012 PERA Global
Accessible Health Care
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计算机辅助工程（CAE）
CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工 程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合，而
© 2012 PERA Global Some pictures, courtesy of CADFEM, Materialise 15
Designing Reliable Orthopedic Implants
• Design Challenges:
• • • • •
‘Few models fit all’ strategy Complex geometries with complex movements Long and tedious testing and approval process Please FDA and patients Early PDP testing virtually impossible Nonlinear material properties & contact model Parametric model and customizable data base Smooth interface to biomedical software Extensive network of key partners DX for DoE
Cardiovascular
Any device used to ensure a perfect blood circulation or address any cardiovascular issues
Hip prosthesis
Jaw implant
Knee joint
Stent
Pacemaker / ICD
Any device or system contributing to properly take care of patients in hospitals or at home
MRI
Monitoring
Portable Monitoring
Hospital Equipment
Hospital Supplies
研究对象的不同
– 生物结构力学
• 骨，口腔，软组织等
– 生物流体力学
• 血液，组织液等
– 运动生物力学
• 多刚体，体育，步态等
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生物医学的发展趋势驱动医疗设备的研发
Threats
Increased Regulation
No Mercy for Failures
Medical Cons Goods
© 2012 PERA Global
14
Orthopedics
Challenges
• Patient-specific geometry
• Continuously varying materials properties (porosity, density, Young’s Modulus) • Bone fragility (osteoporosis) • Minimizing patient recovery times • Transient loads Benefits of CAE • Testing different prostheses / implants designs • Including patient-specific physiology • Investigation of different scenarii and impact on the bone / implant interface • Virtual prototyping on a large number of virtual patients • Various pathologies considered during design
Cardiac valve
Heart valve
Diagnosis & Personalized Medicine
Stationary or portable monitoring system for continuous or occasional use
Medical Equipment & Supplies
形成的一种综合性、知识密集型信息产品。
CAE软件广泛应用于各个行业领域 CAE软件分类
– 有限元计算软件 – 计算流体力学软件 – 电磁学计算软件
© 2012 PERA Global
5
有限元方法概述
• 有限元方法（FEM）
– 一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续 体力学问题的数值方法。 – 有限元方法就是把复杂形体用大量简单形体堆积，先处理简单的形体， 在推演处理复杂的形体，使得复杂问题简单化； – 这每一个简单形体称为一个单元，单元越小，堆积出来的形状越接近 真实形体； – 有限元方法解决问题时首先将复杂的形体划分成网格，每个网格就是 一个单元，网格分的越细，计算越精确。
– ANSYS仿真工具发挥着越来越关键的作用
ANSYS技术成功地被生物医学行业所采纳
– 风险管理 – 过程预测
– 加速产品研发
© 2012 PERA Global
Courtesy of FluidA nv, Belgium
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生物力学与ANSYS技术
仿真手段三十多年前开始成为生物力学的一项研究工具
© 2012 PERA Global 19
椎弓根螺钉
挑战
如何确定螺钉在颈椎头部区域的安装位置 要防止任何滑动（螺钉/骨骼） 防止破坏骨质
© 2012 PERA Global
Courtesy of Dept. of Biomedical Engineering Yonsei University
11
生物力学与ANSYS技术
生物医学行业CFD技术属于较新的技术
Pathlines through the aortic valve during the opening phase at opening angles of 37.5°; pathlines are colored with respect to pressure values
ANSYS技术在生物力学的应用进展
© 2012 PERA Global
目
录
生物力学与ANSYS技术
Hale Waihona Puke Baidu
ANSYS技术在生物力学的应用案例
ANSYS技术发展趋势
总结
© 2012 PERA Global
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生物力学
生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的 生物物理学分支 生物力学是解释生命及其活动的力学，是力学与医学、生物学等多种学 科相互结合、相互渗透而形成的一门新兴交叉学科。 研究范围：生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)
有限体积法(Finite Volume Method，FVM)
© 2012 PERA Global
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有限元分析软件
CAE技术分析实现的最后载体是经技术集成后的CAE分析软件
软件基本构成
– 前处理器
– 求解器 – 后处理器
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9
生物力学与ANSYS技术
仿真技术在生物医学行业有显著的增长
© 2012 PERA Global
12
目
录
生物力学与ANSYS技术
ANSYS技术在生物力学的应用案例
ANSYS技术发展趋势
总结
© 2012 PERA Global
13
生物力学分析的主要方向
Orthopedic
Implant & prosthesis used to fix bones and articulations troubles
• ANSYS Capabilities:
• • • • •
• Key products: Mechanical, DX, EKM, HPC • Software partners: Anybody Technologies, Simpleware / Materialise
Pictures: Courtesy of ANYBODY Technologies, M. Kubicek & Z. Florian, Institute 16 © 2012 PERA Global of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics, FME VUT Brno
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计算流体力学概述
计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)是
使用数值方法在计算机中对流体力学的控制方程进行求解，从 而可预测流场的流动。 CFD的基本思想：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的 场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的 集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上 场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变 量的近似值。
流体系统：更复杂、强非线性
CFD计算将新添入FDA标准审批流程
Courtesy Dept of Bioengineering, Politecnico di Milano, & Laboratory of Biomedical Engineering, Istituto Superiore di Sanità, Rome, Italy
Engineer the System
•
Medical devices are relatively complex systems made of components interacting together within a dynamic environment (e.g. human body)
– In vivo（in the living system） – In vitro （in the test tube） – In-Silico （ silico-based technology in computer ）
整容装置和修复装置设计的基础研究工具
医疗设备仪器设计的支持 FDA明确规定在对人体 /动物进行试验之前需要做有限元分析 Design of medical and sport insole