医学有限元仿真实验系统研究
发布时间：2021-04-06 17:11
将有限元分析应用于医学研究,可以解决很多物理学在医学应用上需要解决却难以解决的复杂问题,为医学研究及临床治疗提供理论指导和科学依据。在医学院校开设医学有限元仿真实验课程对学生学习、教师教学科研、学校与附属医院合作有着十分重要的意义。
【文章来源】：软件. 2020,41(09)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
冠状动脉三维重建Fig.1Three-dimensionalreconstructionofcoronaryartery
金山等：医学有限元仿真实验系统研究73《软件》杂志欢迎推荐投稿：cosoft@vip.163.com有限元分析适用于生物医学材料、内科、胸外科、脑外科、妇科、儿科、眼科、神经科等临床研究与医疗器械设计，应用领域广。在医学院校开设医学有限元仿真实验教学，可以为临床、康复、生物医学工程等专业学生提供便捷的实验平台，尤其是为“医工结合”创造了桥梁。此外，在仿真实验的基础上，结合生物医学的理论研究，为临床科室的诊断、预测上提供科学的指导，促进医学院校与临床医院的教学结合。2医学有限元实验内容医学有限元实验内容是基于医学院校的本科、研究生培养方案的指导下，结合相应的课程来建设。构建分层次、模块化、共享的模拟仿真体系。目前，医学有限元建模仿真实验主要集中在血管系统、肌骨系统、视觉系统等与力学因素密切相关的人体组织和器官，紧密联系临床问题，以临床病例（影像）为基础，应用流体力学和固体力学理论、系统生物信息与控制理论，结合先进的流场和应力场测试和医学影像技术、宏观与微观结合，动物实验与力学模型及数值模拟相结合，对相关组织进行建模与定量分析，从而建立精确规范的无创检测和分析技术，以及进行个体化治疗方案的生物力学设计。2.1血管系统建模与仿真系统血管系统建模与仿真主要包括两大部分：血管系统的生物力学建模与仿真；局部血管及植介入器械的生物力学建模与仿真。血管系统建模与仿真模块的主要方法是借助于计算流体力学技术（computationalfluiddynamics，CFD）的血流动力学数值模拟仿真，分析血液循环系统的血流动力学因素，评估、设计心血管植入/介入器械。动脉粥样硬化多发生在人体动脉特殊的位置，如冠状动脉、颈动脉分支、主动脉弓、肾动脉分支等。这些部位
第41卷第9期软件《软件》杂志欢迎推荐投稿：cosoft@vip.163.com74入体的仿真分析需要以下几个方面：图像获取：利用临床的成像设备如CT、MRI等获取受试者的数据；图像的三维重建：应用三维建模软件构建骨肌系统的三维模型；模型的完善与CAD造型：应用三维逆向工程软件进行完善模型，应用三维CAD软件构建植入体、装配组合体；有限元仿真计算：应用有限元仿真软件进行仿真计算。图3为肱骨远端骨折切开复位固定术仿真分析应力云图。图3肱骨远端骨折切开复位固定术仿真分析Fig.3SimulationanalysisofopenreductionandfixationforDistalhumeralfracture骨肌系统本构关系：基于不同组织对力学刺激的响应有所差异，在相同的应力状态下会呈现出不同的应变，本构关系体现其应力与应变的关系，体现了组织固有的材料特性。在骨肌系统建模与仿真中，常用的本构关系有线弹性模型，超弹性模型和粘弹性模型。表1为常用组织的线弹性本构参数[13-15]；（1）生物力学模型的控制方程：（1）平衡方程：F0，其中为应力张量，为应力张量的散度，F为单位体积上的外力矢量；（2）几何方程：1()2uu，其中为Cauchy应变张量，u为位移矢量，u与u分别为位移的左右梯度；（3）本构方程：()或W=W()，左式为应力关于应变的函数，右式为应变能密度关于应变的函数。表1常用组织的线弹性本构参数Tab.1LINEARelasticconstitutiveparametersofcommontissues生物组织弹性模量剪切模量泊松比皮质骨12~20GPa4.5~6.2GPa0.22~0.42松质骨0.044~1.531GPa——软骨3.7~10.5MPa2.6~4.1MPa0.37~0.47目前骨肌系统的建模与仿真主要包括：下肢生物力学建模?
本文编号：3121803
【文章来源】：软件. 2020,41(09)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
冠状动脉三维重建Fig.1Three-dimensionalreconstructionofcoronaryartery
金山等：医学有限元仿真实验系统研究73《软件》杂志欢迎推荐投稿：cosoft@vip.163.com有限元分析适用于生物医学材料、内科、胸外科、脑外科、妇科、儿科、眼科、神经科等临床研究与医疗器械设计，应用领域广。在医学院校开设医学有限元仿真实验教学，可以为临床、康复、生物医学工程等专业学生提供便捷的实验平台，尤其是为“医工结合”创造了桥梁。此外，在仿真实验的基础上，结合生物医学的理论研究，为临床科室的诊断、预测上提供科学的指导，促进医学院校与临床医院的教学结合。2医学有限元实验内容医学有限元实验内容是基于医学院校的本科、研究生培养方案的指导下，结合相应的课程来建设。构建分层次、模块化、共享的模拟仿真体系。目前，医学有限元建模仿真实验主要集中在血管系统、肌骨系统、视觉系统等与力学因素密切相关的人体组织和器官，紧密联系临床问题，以临床病例（影像）为基础，应用流体力学和固体力学理论、系统生物信息与控制理论，结合先进的流场和应力场测试和医学影像技术、宏观与微观结合，动物实验与力学模型及数值模拟相结合，对相关组织进行建模与定量分析，从而建立精确规范的无创检测和分析技术，以及进行个体化治疗方案的生物力学设计。2.1血管系统建模与仿真系统血管系统建模与仿真主要包括两大部分：血管系统的生物力学建模与仿真；局部血管及植介入器械的生物力学建模与仿真。血管系统建模与仿真模块的主要方法是借助于计算流体力学技术（computationalfluiddynamics，CFD）的血流动力学数值模拟仿真，分析血液循环系统的血流动力学因素，评估、设计心血管植入/介入器械。动脉粥样硬化多发生在人体动脉特殊的位置，如冠状动脉、颈动脉分支、主动脉弓、肾动脉分支等。这些部位
第41卷第9期软件《软件》杂志欢迎推荐投稿：cosoft@vip.163.com74入体的仿真分析需要以下几个方面：图像获取：利用临床的成像设备如CT、MRI等获取受试者的数据；图像的三维重建：应用三维建模软件构建骨肌系统的三维模型；模型的完善与CAD造型：应用三维逆向工程软件进行完善模型，应用三维CAD软件构建植入体、装配组合体；有限元仿真计算：应用有限元仿真软件进行仿真计算。图3为肱骨远端骨折切开复位固定术仿真分析应力云图。图3肱骨远端骨折切开复位固定术仿真分析Fig.3SimulationanalysisofopenreductionandfixationforDistalhumeralfracture骨肌系统本构关系：基于不同组织对力学刺激的响应有所差异，在相同的应力状态下会呈现出不同的应变，本构关系体现其应力与应变的关系，体现了组织固有的材料特性。在骨肌系统建模与仿真中，常用的本构关系有线弹性模型，超弹性模型和粘弹性模型。表1为常用组织的线弹性本构参数[13-15]；（1）生物力学模型的控制方程：（1）平衡方程：F0，其中为应力张量，为应力张量的散度，F为单位体积上的外力矢量；（2）几何方程：1()2uu，其中为Cauchy应变张量，u为位移矢量，u与u分别为位移的左右梯度；（3）本构方程：()或W=W()，左式为应力关于应变的函数，右式为应变能密度关于应变的函数。表1常用组织的线弹性本构参数Tab.1LINEARelasticconstitutiveparametersofcommontissues生物组织弹性模量剪切模量泊松比皮质骨12~20GPa4.5~6.2GPa0.22~0.42松质骨0.044~1.531GPa——软骨3.7~10.5MPa2.6~4.1MPa0.37~0.47目前骨肌系统的建模与仿真主要包括：下肢生物力学建模?
本文编号：3121803
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