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三维有限元分析是骨科生物力学诸多研究方法中很重要的一种。本文目的在于将有限元用于医学仿真手术,并且对于生物力学模型进行改进,使得更有利于有限元分析,针对得到的应力分布给出医学说明。
计算流体动力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物。它从计算方法出发，利用计算机快速的计算能力得到流体控制方程的近似解。随着计算机软硬件的迅猛发展，CFD被广泛用于现在工程领域，特别是在制造领域，用以研究和优化设计流体流动的设备和系统的性能。然后随着近年来扫描技术和计算机技术的进步，CFD仿真为生物医学领域带来了全新的机遇。
人体解剖学和人体流体行为的复杂性，使得CFD仿真技术成为医学领域研究的重要工具。医学研究人员通过先进设备得到人体血液、气流等流体运作的详细数值，从而研究并设计出更可靠的医学治疗和设备，用以改进优化人体的流体运作，帮助病人更快的恢复健康。元王作为国内CAE仿真应用解决方案的专家，通过专业的视角，为大家简要介绍CFD仿真在生物医学工程领域的的新兴应用。
心血管系统：
研究人员一直在应用CFD技术来预测人体内的血液循环，并越来越多地用于研究血管系统内的液体流动现象。预测这些系统中的血流循环提供了几个好处，包括：降低术后并发症，开发更好的外科手术和医疗设备，如血泵。
CFD的示例应用之一是预测冠状动脉疾病，例如动脉粥样硬化，已知其由于生物力学和流体流动因素（例如流速和压力变化）而发生。CFD分析可以通过使用三维医学图像中的冠状动脉生成网格来执行转换成矢量格式。随后可以应用根据心动周期的诸如速度和压力信息的边界条件。之后，可以选择合适的粘度模型来模拟非牛顿流体，以求解流体流动方程并获得结果。可以观察到流体流动的壁剪切应力，速度和压力，以预测动脉粥样硬化的原因并确定最佳干预方法。
肺部气流：
基于CFD的诊断系统帮助医生评估患者的肺部状态并改善预后和治疗干预。已经有大量研究使用CFD方法模拟肺部。该过程需要使用MRI和CT扫描获得精确的CAD模型并生成几何的网格模型。为了模拟仿真气流过程，压力和速度值等边界条件是先验的。
可以施加粘贴物理边界条件的壁以复制气管和原代支气管中粘液层的作用。因此，可以模拟吸入过程并且可以看到诸如在呼吸期间吸入污染物颗粒的关键条件。这可以帮助医生开发所需的医疗设备和治疗。
人造器官设计：
CFD的使用也越来越多地用于评估人造器官的性能。其中一个示例应用是预测假体心脏瓣膜的生理行为。数值模拟有助于识别关于破坏血细胞的流动中高剪切速率位置的重要信息。这需要指定流入和流出的边界条件以及刚性主动脉和瓣叶表面上的速度分量的无滑动和无通量条件。流体 - 结构相互作用技术的使用 也可用于模拟心动周期期间的瓣膜行为并改善流动的平滑性。
对于其他几种生物医学应用，例如声道分析，脊髓液流动，鼻窦流量，关节润滑等，CFD的应用一直在不断扩展。
除了生物医学之外，计算机辅助工程技术的使用也用于研发外科手术过程中所需的医疗装置。随着科技的发展，将会进一步扩大CFD技术在生物医学领域的使用范围，并为拯救人类生命提供更多帮助。
血管有限元分析
1、心脑血管的有限元分析
问题描述：
心脑血管疾病是一系列涉及循环系统的疾病，主要由于血管的阻塞或者破裂等因素形成。血管的几何形态数据结合血管的力学特性参数可以某一器官的血液循环作一系列的血液流动分析。因此建立病变的血管和正常血管的几何结构模型，并进行生物力学分析对该类疾病的产生机体及临床上的治疗具有实际指导意义。
主要结果：
血管的三维有限元模型；血管中的血流流线分布与流速情况；血管壁的剪切应力分布；临床病情的预测以及其他生物力学特性数据、
2、血管支架的有限元分析及优化设计
问题描述：
心脑血管疾病是人类健康和生命的第一杀手。目前治疗一般采用微创介入器械治疗技术，血管支架在该技术中作为主要手术器械。血管支架技术用于血管狭窄治疗的有效性和安全性在临床上已取得认可，然而，为了更好的掌握手术机制，指导临床治疗，血管支架在工作中的应力、应变、结构形状设计、支架与血管的融合计算以及使用寿命预测一直是学者们的研究的热点。
主要结果：
血管支架在工作中的应力、应变；优化设计后的血管支架结构参数；血管支架的使用寿命预测。
呼吸系统有限元分析
1、 呼吸气管的生物力学特性分析
问题描述：
支气管哮喘以气道结构改变和气道对收缩刺激因素的高反应性为病理特征，即气道重塑和气道高反应性。由于气管不断变化的直径、长度等等形态学变化，在正常与病理条件下，气道各级结构还会发生不均匀的收缩和扩张，从而导致气体中复杂的气体流动情况。因此建立各种气管的生物力学模型，模拟气道内气体流动、物质的传输以及支气管哮喘下气道重塑和收缩对下呼吸道气流变化的影响来探索哮喘发病机体，为今后临床治疗指导提供依据。
主要结果：
支气管、肺气管、下呼吸道气管等三维有限元分析模型；气道收缩过程中气体流场在整个呼吸道中的分布情况以及气流对支气管、下呼吸道气管的压力变化分布。
眼，耳有限元分析
1、人耳传声机制有限元模拟
问题描述：
在我国，听力患病率和发病率均较高。关于对外科手术和植入器械帮助患者恢复听力的研究也很多。然而，随着技术的进一步发展，需要对耳部器官的生物传声机制进行更深入的研究。通过建立外耳、中耳及内耳骨迷路的三维有限元数值模型，分析人耳声固耦合传声机制。
主要结果：
人耳部结构的三维有限元分析模型；不同声压下鼓膜及镫骨底板振动位移；
2、 人工听骨传声特性的有限元分析
问题描述：
传导性耳聋是由于外耳或中耳的疾病致使外界声波传至内耳过程障碍，从而引起听觉减退的一类疾病。基于此临床上通过修补鼓膜和重建听骨链来恢复传导性耳聋患者的听力。局部置换人工听小骨是目前治疗的手段。为了获得更好的临床疗效需要对人工听小骨的材料选择、结构形状进行必要的研究。利用三维有限元技术将人工听小骨与正常听小骨生物力学行为进行对比分析是指导人工听小骨加工制造以及临床治疗的最佳方法。
主要结果：
人工听小骨的结构优化设计后的结构参数；人工听骨与正常听骨的传声效果比较；不同声压下鼓膜及镫骨底板振动位移；
3、 眼眶种植体的有限元分析
问题描述：
随着社会迅速发展，由交通事故、运动损伤及意外伤害等原因造成颜面部外伤的发病率日益增高，其中，眼眶爆裂性骨折是当今社会非常多见的一类创伤性眼病。对于这类骨折的治疗种植体起到了至关重要的作用。分析种植体植入眼眶后其结构的生物力学特性对手术后期恢复治疗具有指导作用。
主要结果：
眼眶及种植体组合结构的三维有限元模型；眼眶种植体及其周围组织的应力大小及分布情况。
4、 高压氧治疗对受损眼眶中视神经影响的三维有限元分析
问题描述：
眼内压的升高压迫了视神经，影响了轴浆的运输从而导致了视神经的萎缩。作为脑部损伤的有效治疗手段，高压氧舱治疗在临床上广泛应用。但在进行高压氧治疗时，眼眶受损患者的视神经是否会受到压迫值得研究。利用三维有限元仿真技术可以模拟高压氧治疗对受损眼眶中视神经的影响，为眼眶受损患者可否做高压氧治疗提供力学依据。
主要结果：
包括视神经、眼眶、眼球、眶脂体和脑组织整体眼部三维有限元模型以及受损眼眶测的视神经的应力大小。
5、 眼睛近视治疗的有限元模拟
问题描述：
近年来，近视人员的数量越来越大，患者年龄也越来越年轻。近视患者已逐渐成为眼科病最主要的治疗对象。目前近视治疗主要采用角膜屈光手术。对于该技术中利用激光治疗会影响角膜周围的温度变化导致其应力变化，从而会影响手术效果以及术后并发症。因此从生物力学的角度研究眼睛近视治疗机体意义重大。
主要结果：
各种近视治疗手术前后的角膜有限元模型；角膜在激光照射下的温度分布以及应力情况。
医学分析软件介绍
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程(CAE)软件，能与多数计算机辅助设计(CAD，computer Aided design)软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN, Alogor, I-DEAS,AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。 SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。 综上所述，前者是专业的分析软件，后者主要是计算机辅助设计软件
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