5、医学与航空领域的数字孪生模拟技术探索

医学与航空领域的数字孪生模拟技术探索

医学领域：BoneStrength 应用模拟

1. BoneStrength 应用简介

BoneStrength 是一种用于评估预防股骨近端骨折治疗效果的计算机模拟试验解决方案，它包含两个主要模型：
- 有限元（FE）模型 ：该模型能根据患者特定情况，预测在侧摔条件下，骨强度与冲击力方向的函数关系。
- 随机患者特定侧摔模型 ：此模型可预测大量随机摔倒在特定患者身上所产生的冲击力的概率分布。

2. 模拟方法

2.1 标准方法

标准方法以患者为驱动，属于数字孪生解决方案。具体操作如下：
1. 每年为单个患者模拟 28 次摔倒（通过改变前后和内外方向的坠落载荷方向，探索所有可能的摔倒配置）。
2. 利用经过验证的基于应变的失效准则预测股骨强度，即导致骨失效的力。
3. 通过计算模拟摔倒导致骨折的次数与总模拟摔倒次数的比率，并考虑年摔倒率，计算出时间为零（如进行 CT 扫描时）的绝对骨折风险（ARF0）。

2.2 “Markov” 版本方法

“Markov” 版本方法旨在估计在特定观察时间内骨折患者的数量，步骤如下：
1. 生成 10 年的摔倒序列，并随机分配给患者。
2. 每次模拟中，如果摔倒导致的载荷超过股骨骨折载荷，则将患者标记为已骨折，后续不再对该患者进行模拟。
3. 由于这是一个随机过程，需要进行一系列的模拟（即活动）以获得平均结果。

3. 模拟执行