Simpleware 幫助生成用於模擬起搏器性能的 3D 軀幹有限元模型
概述
MicroPort 公司致力於為世界各地的患者開發救生醫療產品，MicroPort 的專長之一是製造心律管理設備（CRM）治療心律不整和心臟衰竭。該公司使用 Synopsys Simpleware 軟體對複雜的起搏器幾何結構進行建模，以便更好地了解針對心動過緩和心動過速等疾病的患者治療方法。 MicroPort 以往對其設備採用昂貴又耗時的動物測試，也承擔了極高的道德風險。基於影像的有限元 (FE) 模擬是一種可以做為替代的測試方法，既能減少對動物測試的依賴，也降低設備故障的風險並提供建議，且不需承擔動物測試帶來的道德風險。
亮點
- 模擬人體模型減少了對動物測試的需求
- 模擬快速、高效且成本低
- 使用 Simpleware 軟體在網格劃分前修復模型
- Simpleware 模型可直接進行模擬
處理軀幹模型
MicroPort 使用 IT’IS 基金會和美國 FDA 提供的資料集開發出逼真的幾何結構，並開始模擬過程。使用 Simpleware 軟體處理原始 STL 並分割感興趣的區域以進行模擬，Simpleware 軟體可針對各個零件的三角測量錯誤進行修復 (例如孔、頂點到頂點、非流形邊)，STL 數據經過 Simpleware 軟體處理後可以更順利的進行網格劃分和模擬。
圖：原始幾何模型在 Simpleware 軟體中處理並製作可供模擬的網格
建立穩健的有限元模型
在 Simpleware 軟體中分割影像資料後可匯出提供模擬的模型，包含 CAE 軟體的體積網格、編輯幾何和重新劃分網格的 NURBS IGES 檔案。Simpleware 的網格嚴密、平滑，能保證產出精確的幾何模型和正確無縫隙的拓撲結構。高品質網格可以直接在 CAE 軟體中進行電磁 (EM) 模擬。
圖：Simpleware 軟體為 CAE 軟體匯出穩健模型
生成人體心臟模型
為了改進模擬細節，使用 Simpleware 軟體來處理從單獨的資料集中創建的心臟模型，主要任務是在原始心臟模型中添加心室，並使用影像處理工具從影像資料中去除不必要的細節，Simpleware 軟體可以將腔室的分割和模型外表面向實體的封閉以單獨的 NURBS 檔形式導出至 CAE 軟體。
圖：將 NURBS 心臟模型從 Simpleware 軟體匯出到 CAE 軟體
電磁模擬
在 CAE 軟體中使用 Simpleware 網格來測試電極在體內的放置情況以及施加電壓時的組織電導率，輸出電流通路和心臟內的電場，並將模擬結果與文獻進行比較，結果表明根據配置的不同，預期結果的偏差誤差在 7-20% 之間。
圖： CAE 軟體中的電場和電流密度路徑
結論
有限元模型適合比較不同的設備解剖配置，以確定哪種配置更好，該模型可以確定電極的最佳位置以及將除顫維持在可接受水平的最佳路徑，從而簡化植入程序並為患者提供舒適度，使用這些技術使 MicroPort CRM 能夠減少對昂貴的動物測試的依賴，並提高工作流程的效率和準確性。
參考資料
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