計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD：Computational Fluid Dynamics）是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。它從計(jì)算方法出發(fā)，利用計(jì)算機(jī)快速的計(jì)算能力得到流體控制方程的近似解。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的迅猛發(fā)展，CFD被廣泛用于現(xiàn)在工程領(lǐng)域，特別是在制造領(lǐng)域，用以研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)流體流動(dòng)的設(shè)備和系統(tǒng)的性能。然后隨著近年來(lái)掃描技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，CFD仿真為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了全新的機(jī)遇。

人體解剖學(xué)和人體流體行為的復(fù)雜性，使得CFD仿真技術(shù)成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的重要工具。醫(yī)學(xué)研究人員通過(guò)先進(jìn)設(shè)備得到人體血液、氣流等流體運(yùn)作的詳細(xì)數(shù)值，從而研究并設(shè)計(jì)出更可靠的醫(yī)學(xué)治療和設(shè)備，用以改進(jìn)優(yōu)化人體的流體運(yùn)作，幫助病人更快的恢復(fù)健康。元王作為國(guó)內(nèi)CAE仿真應(yīng)用解決方案的專家，通過(guò)專業(yè)的視角，為大家簡(jiǎn)要介紹CFD仿真在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的的新興應(yīng)用。

心血管系統(tǒng)：

研究人員一直在應(yīng)用CFD技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)人體內(nèi)的血液循環(huán)，并越來(lái)越多地用于研究血管系統(tǒng)內(nèi)的液體流動(dòng)現(xiàn)象。預(yù)測(cè)這些系統(tǒng)中的血流循環(huán)提供了幾個(gè)好處，包括：降低術(shù)后并發(fā)癥，開(kāi)發(fā)更好的外科手術(shù)和醫(yī)療設(shè)備，如血泵。

CFD的示例應(yīng)用之一是預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈疾病，例如動(dòng)脈粥樣硬化，已知其由于生物力學(xué)和流體流動(dòng)因素（例如流速和壓力變化）而發(fā)生。CFD分析可以通過(guò)使用三維醫(yī)學(xué)圖像中的冠狀動(dòng)脈生成網(wǎng)格來(lái)執(zhí)行轉(zhuǎn)換成矢量格式。隨后可以應(yīng)用根據(jù)心動(dòng)周期的諸如速度和壓力信息的邊界條件。之后，可以選擇合適的粘度模型來(lái)模擬非牛頓流體，以求解流體流動(dòng)方程并獲得結(jié)果?？梢杂^察到流體流動(dòng)的壁剪切應(yīng)力，速度和壓力，以預(yù)測(cè)動(dòng)脈粥樣硬化的原因并確定最佳干預(yù)方法。

肺部氣流：

基于CFD的診斷系統(tǒng)幫助醫(yī)生評(píng)估患者的肺部狀態(tài)并改善預(yù)后和治療干預(yù)。已經(jīng)有大量研究使用CFD方法模擬肺部。該過(guò)程需要使用MRI和CT掃描獲得精確的CAD模型并生成幾何的網(wǎng)格模型。為了模擬仿真氣流過(guò)程，壓力和速度值等邊界條件是先驗(yàn)的。

可以施加粘貼物理邊界條件的壁以復(fù)制氣管和原代支氣管中粘液層的作用。因此，可以模擬吸入過(guò)程并且可以看到諸如在呼吸期間吸入污染物顆粒的關(guān)鍵條件。這可以幫助醫(yī)生開(kāi)發(fā)所需的醫(yī)療設(shè)備和治療。

人造器官設(shè)計(jì)：

CFD的使用也越來(lái)越多地用于評(píng)估人造器官的性能。其中一個(gè)示例應(yīng)用是預(yù)測(cè)假體心臟瓣膜的生理行為。數(shù)值模擬有助于識(shí)別關(guān)于破壞血細(xì)胞的流動(dòng)中高剪切速率位置的重要信息。這需要指定流入和流出的邊界條件以及剛性主動(dòng)脈和瓣葉表面上的速度分量的無(wú)滑動(dòng)和無(wú)通量條件。流體 - 結(jié)構(gòu)相互作用技術(shù)的使用 也可用于模擬心動(dòng)周期期間的瓣膜行為并改善流動(dòng)的平滑性。

對(duì)于其他幾種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如聲道分析，脊髓液流動(dòng)，鼻竇流量，關(guān)節(jié)潤(rùn)滑等，CFD的應(yīng)用一直在不斷擴(kuò)展。

除了生物醫(yī)學(xué)之外，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的使用也用于研發(fā)外科手術(shù)過(guò)程中所需的醫(yī)療裝置。隨著科技的發(fā)展，將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大CFD技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的使用范圍，并為拯救人類生命提供更多幫助。有道科技作為有限元分析應(yīng)用領(lǐng)域的佼佼者，期待與更多醫(yī)生和優(yōu)秀的企業(yè)合作，為醫(yī)療行業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持。