三維有限元分析是骨科生物力學諸多研究方法中很重要的一種。本文目的在于將有限元用于醫(yī)學仿真手術,并且對于生物力學模型進行改進,使得更有利于有限元分析,針對得到的應力分布給出醫(yī)學說明?！?br>

計算流體動力學（CFD：Computational Fluid Dynamics）是近代流體力學、數(shù)值數(shù)學和計算機科學結(jié)合的產(chǎn)物。它從計算方法出發(fā)，利用計算機快速的計算能力得到流體控制方程的近似解。隨著計算機軟硬件的迅猛發(fā)展，CFD被廣泛用于現(xiàn)在工程領域，特別是在制造領域，用以研究和優(yōu)化設計流體流動的設備和系統(tǒng)的性能。然后隨著近年來掃描技術和計算機技術的進步，CFD仿真為生物醫(yī)學領域帶來了全新的機遇。

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人體解剖學和人體流體行為的復雜性，使得CFD仿真技術成為醫(yī)學領域研究的重要工具。醫(yī)學研究人員通過先進設備得到人體血液、氣流等流體運作的詳細數(shù)值，從而研究并設計出更可靠的醫(yī)學治療和設備，用以改進優(yōu)化人體的流體運作，幫助病人更快的恢復健康。元王作為國內(nèi)CAE仿真應用解決方案的專家，通過專業(yè)的視角，為大家簡要介紹CFD仿真在生物醫(yī)學工程領域的的新興應用。

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心血管系統(tǒng)：

研究人員一直在應用CFD技術來預測人體內(nèi)的血液循環(huán)，并越來越多地用于研究血管系統(tǒng)內(nèi)的液體流動現(xiàn)象。預測這些系統(tǒng)中的血流循環(huán)提供了幾個好處，包括：降低術后并發(fā)癥，開發(fā)更好的外科手術和醫(yī)療設備，如血泵。

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CFD的示例應用之一是預測冠狀動脈疾病，例如動脈粥樣硬化，已知其由于生物力學和流體流動因素（例如流速和壓力變化）而發(fā)生。CFD分析可以通過使用三維醫(yī)學圖像中的冠狀動脈生成網(wǎng)格來執(zhí)行轉(zhuǎn)換成矢量格式。隨后可以應用根據(jù)心動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模擬非牛頓流體，以求解流體流動方程并獲得結(jié)果?？梢杂^察到流體流動的壁剪切應力，速度和壓力，以預測動脈粥樣硬化的原因并確定最佳干預方法。

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肺部氣流：

基于CFD的診斷系統(tǒng)幫助醫(yī)生評估患者的肺部狀態(tài)并改善預后和治療干預。已經(jīng)有大量研究使用CFD方法模擬肺部。該過程需要使用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程，壓力和速度值等邊界條件是先驗的。

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

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人造器官設計：

CFD的使用也越來越多地用于評估人造器官的性能。其中一個示例應用是預測假體心臟瓣膜的生理行為。數(shù)值模擬有助于識別關于破壞血細胞的流動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脈和瓣葉表面上的速度分量的無滑動和無通量條件。流體 - 結(jié)構(gòu)相互作用技術的使用 ?也可用于模擬心動周期期間的瓣膜行為并改善流動的平滑性。

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對于其他幾種生物醫(yī)學應用，例如聲道分析，脊髓液流動，鼻竇流量，關節(jié)潤滑等，CFD的應用一直在不斷擴展。

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除了生物醫(yī)學之外，計算機輔助工程技術的使用也用于研發(fā)外科手術過程中所需的醫(yī)療裝置。隨著科技的發(fā)展，將會進一步擴大CFD技術在生物醫(yī)學領域的使用范圍，并為拯救人類生命提供更多幫助。

血管有限元分析

1、心腦血管的有限元分析

問題描述：

心腦血管疾病是一系列涉及循環(huán)系統(tǒng)的疾病，主要由于血管的阻塞或者破裂等因素形成。血管的幾何形態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合血管的力學特性參數(shù)可以某一器官的血液循環(huán)作一系列的血液流動分析。因此建立病變的血管和正常血管的幾何結(jié)構(gòu)模型，并進行生物力學分析對該類疾病的產(chǎn)生機體及臨床上的治療具有實際指導意義。

主要結(jié)果：

血管的三維有限元模型；血管中的血流流線分布與流速情況；血管壁的剪切應力分布；臨床病情的預測以及其他生物力學特性數(shù)據(jù)、

2、血管支架的有限元分析及優(yōu)化設計

問題描述：

心腦血管疾病是人類健康和生命的第一殺手。目前治療一般采用微創(chuàng)介入器械治療技術，血管支架在該技術中作為主要手術器械。血管支架技術用于血管狹窄治療的有效性和安全性在臨床上已取得認可，然而，為了更好的掌握手術機制，指導臨床治療，血管支架在工作中的應力、應變、結(jié)構(gòu)形狀設計、支架與血管的融合計算以及使用壽命預測一直是學者們的研究的熱點。

主要結(jié)果：

血管支架在工作中的應力、應變；優(yōu)化設計后的血管支架結(jié)構(gòu)參數(shù)；血管支架的使用壽命預測。

呼吸系統(tǒng)有限元分析

1、 呼吸氣管的生物力學特性分析

問題描述：

支氣管哮喘以氣道結(jié)構(gòu)改變和氣道對收縮刺激因素的高反應性為病理特征，即氣道重塑和氣道高反應性。由于氣管不斷變化的直徑、長度等等形態(tài)學變化，在正常與病理條件下，氣道各級結(jié)構(gòu)還會發(fā)生不均勻的收縮和擴張，從而導致氣體中復雜的氣體流動情況。因此建立各種氣管的生物力學模型，模擬氣道內(nèi)氣體流動、物質(zhì)的傳輸以及支氣管哮喘下氣道重塑和收縮對下呼吸道氣流變化的影響來探索哮喘發(fā)病機體，為今后臨床治療指導提供依據(jù)。

主要結(jié)果：

支氣管、肺氣管、下呼吸道氣管等三維有限元分析模型；氣道收縮過程中氣體流場在整個呼吸道中的分布情況以及氣流對支氣管、下呼吸道氣管的壓力變化分布。

眼，耳有限元分析

1、人耳傳聲機制有限元模擬

問題描述：

在我國，聽力患病率和發(fā)病率均較高。關于對外科手術和植入器械幫助患者恢復聽力的研究也很多。然而，隨著技術的進一步發(fā)展，需要對耳部器官的生物傳聲機制進行更深入的研究。通過建立外耳、中耳及內(nèi)耳骨迷路的三維有限元數(shù)值模型，分析人耳聲固耦合傳聲機制。

主要結(jié)果：

人耳部結(jié)構(gòu)的三維有限元分析模型；不同聲壓下鼓膜及鐙骨底板振動位移；

2、 人工聽骨傳聲特性的有限元分析

問題描述：

傳導性耳聾是由于外耳或中耳的疾病致使外界聲波傳至內(nèi)耳過程障礙，從而引起聽覺減退的一類疾病?；诖伺R床上通過修補鼓膜和重建聽骨鏈來恢復傳導性耳聾患者的聽力。局部置換人工聽小骨是目前治療的手段。為了獲得更好的臨床療效需要對人工聽小骨的材料選擇、結(jié)構(gòu)形狀進行必要的研究。利用三維有限元技術將人工聽小骨與正常聽小骨生物力學行為進行對比分析是指導人工聽小骨加工制造以及臨床治療的最佳方法。

主要結(jié)果：

人工聽小骨的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計后的結(jié)構(gòu)參數(shù)；人工聽骨與正常聽骨的傳聲效果比較；不同聲壓下鼓膜及鐙骨底板振動位移；

3、 眼眶種植體的有限元分析

問題描述：

隨著社會迅速發(fā)展，由交通事故、運動損傷及意外傷害等原因造成顏面部外傷的發(fā)病率日益增高，其中，眼眶爆裂性骨折是當今社會非常多見的一類創(chuàng)傷性眼病。對于這類骨折的治療種植體起到了至關重要的作用。分析種植體植入眼眶后其結(jié)構(gòu)的生物力學特性對手術后期恢復治療具有指導作用。

主要結(jié)果：

眼眶及種植體組合結(jié)構(gòu)的三維有限元模型；眼眶種植體及其周圍組織的應力大小及分布情況。

4、 高壓氧治療對受損眼眶中視神經(jīng)影響的三維有限元分析

問題描述：

眼內(nèi)壓的升高壓迫了視神經(jīng)，影響了軸漿的運輸從而導致了視神經(jīng)的萎縮。作為腦部損傷的有效治療手段，高壓氧艙治療在臨床上廣泛應用。但在進行高壓氧治療時，眼眶受損患者的視神經(jīng)是否會受到壓迫值得研究。利用三維有限元仿真技術可以模擬高壓氧治療對受損眼眶中視神經(jīng)的影響，為眼眶受損患者可否做高壓氧治療提供力學依據(jù)。

主要結(jié)果：

包括視神經(jīng)、眼眶、眼球、眶脂體和腦組織整體眼部三維有限元模型以及受損眼眶測的視神經(jīng)的應力大小。

5、 眼睛近視治療的有限元模擬

問題描述：

近年來，近視人員的數(shù)量越來越大，患者年齡也越來越年輕。近視患者已逐漸成為眼科病最主要的治療對象。目前近視治療主要采用角膜屈光手術。對于該技術中利用激光治療會影響角膜周圍的溫度變化導致其應力變化，從而會影響手術效果以及術后并發(fā)癥。因此從生物力學的角度研究眼睛近視治療機體意義重大。

主要結(jié)果：

各種近視治療手術前后的角膜有限元模型；角膜在激光照射下的溫度分布以及應力情況。

醫(yī)學分析軟件介紹

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件，是世界范圍內(nèi)增長最快的計算機輔助工程(CAE)軟件，能與多數(shù)計算機輔助設計(CAD，computer Aided design)軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo, NASTRAN, Alogor, I-DEAS,AutoCAD等。是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等領域有著廣泛的應用。ANSYS功能強大，操作簡單方便，現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA評比中都名列第一。目前，中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進行有限元分析或者作為標準教學軟件。

SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術創(chuàng)新符合CAD技術的發(fā)展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財務狀況和用戶支持使得SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機平臺CAD系統(tǒng)評比第一名；從1995年至今，已經(jīng)累計獲得十七項國際大獎，其中僅從1999年起，美國權威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予SolidWorks最佳編輯獎，以表彰SolidWorks的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它，設計師大大縮短了設計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。

綜上所述，前者是專業(yè)的分析軟件，后者主要是計算機輔助設計軟件

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