CST生物电磁仿真：手动创建通用Voxel模型

前言

体素模型（Voxel Model）使用三维离散化表征方法，将物体分解为空间网格中的立方体单元，每个单元携带独立材料属性（如介电常数、电导率）。在生命科学领域的仿真中，体素模型常用于数字化表示人体内部解剖结构与组织密度的网格模型，是医学成像（如CT/MRI）解析、仿真和可视化研究的核心数据基础。

体素模型可以根据用户的需要进行定制，在定制高精度解剖仿真模型、验证自动化分割算法、研究非标准形态或病理特征、针对特定植入物/器械进行功能模拟等方面，具有极高的价值。

本文介绍了手动创建voxel模型的方法，用户可以通过本案例实现体素模型的定制化，为后续仿真与分析奠定基础框架。

方案简介

体素模型使用三维离散化表征方法，将物体分解为空间网格中的立方体单元，每个单元携带独立材料属性（如介电常数、电导率）。

在这里，我们依据体素模型的定义方式，尝试手动设计一个体素模型，使用一个简单的人体局部组织模型案例来介绍体素模型的构建方法。

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主要流程

•形成“材料库”：明确“人体组织”所含的组织材料信息，并写入对应的材料参数；

•定义体素材料：给每一个体素编号，并赋予“材料库”中的材料；

•生成“体素模型”：使用一个.vox文件作为主配置文件，链接“材料库”“材料属性”和图像文件。

所需文件

1..vox文件（ASCII 格式）

2.材料列表：.txt文件（ASCII 格式）

3.材料属性：.txt或.lat文件（ASCII或二进制格式）

4.可视图像：.bmp文件（可选）

操作流程

一、创建“材料列表”文件

“材料列表”文件描述了整个体素模型中涉及的材料信息，包括材料名、材料参数等内容。

文件名不做限制，文件以ASCII格式存储，扩展名为.txt。

材料编号必须为≤255的整数，习惯上通常将真空的材料编号编为0。

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二、创建“材料属性”文件

“材料属性”文件由一长串整型材料属性值组成，描述每个体素的材料信息。

文件名不做限制，文件可选用ASCII格式（.txt）或二进制格式（.lat）。建议先以文本文件构建模型，后续可按需转换为二进制格式。若需要构建大型体素模型，建议使用二进制格式。

文件最小数据量取决于X、Y、Z方向体素数量乘积，数值顺序按空间位置线性排列。例如，体素模型包含3×2×4个体素，因此文件至少需包含24个属性值。

文件中的数据对应“材料列表”文件中的材料编号，编号起点在左前上方（位置1），按照图中所示的顺序填充。

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三、创建“体素模型”（.vox文件）

“体素模型”可以由.vox文件描述。在这一步中，我们需要构建一个.vox文件，通过引用“材料列表”和“材料属性”，构建出一个“体素模型”。

关于.vox文件各个参数的描述，可以参考CST在线帮助文档中的《Voxel Data Info File》部分。

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以下是一个.vox文件示例，请注意关键参数：

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从上到下依次为：

•[Material]：“材料数据文件”文件名，以及频率

•[Background]：背景材料的编号（需在材料txt文件中定义）

•[Voxel]：

◦[nx/ny/nz]：X、Y、Z方向体素的数量

◦[dx/dy/dz]：单个体素在X、Y、Z方向的尺寸

◦[offset]：offset = 0（除非.lat文件包含文件头）

◦[filename]：材料属性文件名（可为.txt或.lat）

•[Bitmap]：导入模型时将用于显示的图像

四、文件导入测试

生成.vox文件后，我们可以在CST中尝试导入该体素模型文件。具体操作步骤可参考下列内容：

打开Import Bio Model对话框

打开Import Bio Model对话框

在Import Bio Model对话框中导入自定义体素模型文件

在Import Bio Model对话框中导入自定义体素模型文件

在Voxel Model Selection对话框中选择体素模型文件

在Voxel Model Selection对话框中选择体素模型文件

模型预览窗口中可查看详细属性

模型预览窗口中可查看详细属性

完整的体素模型

完整的体素模型

总结

•分别创建“材料列表”和“材料属性”，并使用.vox文件引用上述文件（可选择是否引用图像文件），可以生成体素模型。

•在创建“材料属性”文件的过程中，需要留意编号起点和编号顺序。

•鉴于体素模型的特点，除了适用于生物组织仿真之外，广义的体素模型还可以用于复合材料等非均匀介质的物理场仿真。