將有限元分析應用于醫(yī)學研究,可以解決很多物理學在醫(yī)學應用上需要解決卻難以解決的復雜問題,為醫(yī)學研究及臨床治療提供理論指導和科學依據(jù)。在醫(yī)學院校開設(shè)醫(yī)學有限元仿真實驗課程對學生學習、教師教學科研、學校與附屬醫(yī)院合作有著十分重要的意義。 

【文章來源】：軟件. 2020,41(09)

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冠狀動脈三維重建Fig.1Three-dimensionalreconstructionofcoronaryartery

金山等：醫(yī)學有限元仿真實驗系統(tǒng)研究73《軟件》雜志歡迎推薦投稿：cosoft@vip.163.com有限元分析適用于生物醫(yī)學材料、內(nèi)科、胸外科、腦外科、婦科、兒科、眼科、神經(jīng)科等臨床研究與醫(yī)療器械設(shè)計，應用領(lǐng)域廣。在醫(yī)學院校開設(shè)醫(yī)學有限元仿真實驗教學，可以為臨床、康復、生物醫(yī)學工程等專業(yè)學生提供便捷的實驗平臺，尤其是為“醫(yī)工結(jié)合”創(chuàng)造了橋梁。此外，在仿真實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合生物醫(yī)學的理論研究，為臨床科室的診斷、預測上提供科學的指導，促進醫(yī)學院校與臨床醫(yī)院的教學結(jié)合。2醫(yī)學有限元實驗內(nèi)容醫(yī)學有限元實驗內(nèi)容是基于醫(yī)學院校的本科、研究生培養(yǎng)方案的指導下，結(jié)合相應的課程來建設(shè)。構(gòu)建分層次、模塊化、共享的模擬仿真體系。目前，醫(yī)學有限元建模仿真實驗主要集中在血管系統(tǒng)、肌骨系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)等與力學因素密切相關(guān)的人體組織和器官，緊密聯(lián)系臨床問題，以臨床病例（影像）為基礎(chǔ)，應用流體力學和固體力學理論、系統(tǒng)生物信息與控制理論，結(jié)合先進的流場和應力場測試和醫(yī)學影像技術(shù)、宏觀與微觀結(jié)合，動物實驗與力學模型及數(shù)值模擬相結(jié)合，對相關(guān)組織進行建模與定量分析，從而建立精確規(guī)范的無創(chuàng)檢測和分析技術(shù)，以及進行個體化治療方案的生物力學設(shè)計。2.1血管系統(tǒng)建模與仿真系統(tǒng)血管系統(tǒng)建模與仿真主要包括兩大部分：血管系統(tǒng)的生物力學建模與仿真；局部血管及植介入器械的生物力學建模與仿真。血管系統(tǒng)建模與仿真模塊的主要方法是借助于計算流體力學技術(shù)（computationalfluiddynamics，CFD）的血流動力學數(shù)值模擬仿真，分析血液循環(huán)系統(tǒng)的血流動力學因素，評估、設(shè)計心血管植入/介入器械。動脈粥樣硬化多發(fā)生在人體動脈特殊的位置，如冠狀動脈、頸動脈分支、主動脈弓、腎動脈分支等。這些部位

第41卷第9期軟件《軟件》雜志歡迎推薦投稿：cosoft@vip.163.com74入體的仿真分析需要以下幾個方面：圖像獲取：利用臨床的成像設(shè)備如CT、MRI等獲取受試者的數(shù)據(jù)；圖像的三維重建：應用三維建模軟件構(gòu)建骨肌系統(tǒng)的三維模型；模型的完善與CAD造型：應用三維逆向工程軟件進行完善模型，應用三維CAD軟件構(gòu)建植入體、裝配組合體；有限元仿真計算：應用有限元仿真軟件進行仿真計算。圖3為肱骨遠端骨折切開復位固定術(shù)仿真分析應力云圖。圖3肱骨遠端骨折切開復位固定術(shù)仿真分析Fig.3SimulationanalysisofopenreductionandfixationforDistalhumeralfracture骨肌系統(tǒng)本構(gòu)關(guān)系：基于不同組織對力學刺激的響應有所差異，在相同的應力狀態(tài)下會呈現(xiàn)出不同的應變，本構(gòu)關(guān)系體現(xiàn)其應力與應變的關(guān)系，體現(xiàn)了組織固有的材料特性。在骨肌系統(tǒng)建模與仿真中，常用的本構(gòu)關(guān)系有線彈性模型，超彈性模型和粘彈性模型。表1為常用組織的線彈性本構(gòu)參數(shù)[13-15]；（1）生物力學模型的控制方程：（1）平衡方程：F0，其中為應力張量，為應力張量的散度，F(xiàn)為單位體積上的外力矢量；（2）幾何方程：1()2uu，其中為Cauchy應變張量，u為位移矢量，u與u分別為位移的左右梯度；（3）本構(gòu)方程：()或W=W()，左式為應力關(guān)于應變的函數(shù)，右式為應變能密度關(guān)于應變的函數(shù)。表1常用組織的線彈性本構(gòu)參數(shù)Tab.1LINEARelasticconstitutiveparametersofcommontissues生物組織彈性模量剪切模量泊松比皮質(zhì)骨12~20GPa4.5~6.2GPa0.22~0.42松質(zhì)骨0.044~1.531GPa——軟骨3.7~10.5MPa2.6~4.1MPa0.37~0.47目前骨肌系統(tǒng)的建模與仿真主要包括：下肢生物力學建模?


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