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生物医疗行业的CAE应用解决方案

  人类经过长期的劳动进化后,人体骨骼已形成了一个几乎完美的力学结构。然而在对人体力学结构进行力学研究时,力学实验几乎无法直接进行,这时用有限元数值模拟力学实验的方法恰成为一种有效手段。经过长期发展,CAE技术在生命科学研究中的应用,也取得了很多成绩,尤其在人体生物力学研究中,更显示出其极大优势。
  20世纪60年代,在心血管系统的力学问题研究中,有限元法得到了初步应用。从70年代起,开始应用于骨科生物力学研究,最初应用于脊柱。80年代后,应用范围逐步扩展到颅面骨、颌骨、股骨、牙齿、关节、颈椎、腰椎及其附属结构等生物力学研究中。目前应用较广泛的,就是结合计算结构力学和计算流体力学现有的数值软件,针对人体不同部位进行力学仿真。利用现有有限元软件日趋强大和完善的建模功能及其接口工具,可以拟实建立三维人体骨骼、肌肉、血管等器官组织,并模拟其生物力学材料特性。可以模拟各种类型的边界条件和载荷约束(几何约束、固定载荷、冲击载荷、温度特性等),进行结构静力学、动力学、疲劳、流体力学等各种类型的仿真模拟,从而获得在不同虚拟实验条件下任意部位的变形、应力/应变分布、内部能量变化、流动特性以及极限破坏预测等特性。


CAE技术在生物力学中的典型应用包括:

  • 颅面骨、颌骨、牙齿正畸有限元分析
  • 脊柱有限元分析
  • 关节有限元分析
  • 足部有限元分析
  • 人体软组织的有限元分析
  • 心脑血管流体及流固耦合分析

  • 由于人体结构的复杂性,生物力学仿真分析涉及到的软件包括:
  • 逆向处理软件:Imageware,Mimics,Geomagic等
  • 网格划分软件:Ansa,Hypermesh等
  • 有限元分析软件:Ansys,Abaqus,Fluent等

  • 颅面骨、颌骨、牙齿正畸有限元分析
      头颅及颞下关节是CAE技术在生物力学中应用的重点之一。通过建立包括鼻上颌复合体、下颌骨及牙齿在内的颅颌面 硬组织形态的三维有限元模型,用来研究颅颌面硬组织在正中矢状面上的形态特征及因生长、正畸矫治、正颌手术引起的形态变化。也可以对下颌骨内固定下的应力 遮挡作用进行有限元力学分析,对下颌骨体部、角部骨折在骨愈合的不同时期、不同的咬合形式及不同的内固定方法时的应力遮挡率进行计算分析。

  • 脊柱有限元分析
      脊柱生物力学仿真是有限元法在生物力学中研究的较早、分析的较多、也是临床上应用较广泛的领域。现今研究脊柱的工作使模型不仅能逼真地模拟椎骨、椎间盘,还能将周围的韧带、肌肉直接或间接地加入模型,使模拟更加真实与完善。这些工作不仅要求建立逼真的脊椎模型,而且要求测试椎间盘、周围韧带、肌肉的各种力学性能。有限元在颈椎生物力学中的研究对象又可以细分为椎体、椎间盘、后部结构以及肌肉韧带等软组织。此外,内固定器械的生物力学研究,也有助于选择正确手术方法,以取得极佳矫形和固定效果。有限元分析在脊柱腰椎段的应用,也覆盖了生理负载及外来负载下腰椎各部分应力分布,手术内固定及人工假体,脊柱内固定对邻近脊柱结构影响,骨质疏松椎体压缩性骨折,以及肌肉和韧带在有限元模型中的应用等多个方面,有力促进了脊柱动力学(载荷下的脊柱运动)、运动学(椎体间运动)和脊椎及椎间盘内部的应力应变等各种研究。

  • 关节有限元分析
      人体关节尤其是大腿骨两端的髋关节以及膝关节,一直以来也是病症多发部位,应用CAE技术模拟人体关节力学结构是一种有效的方法。上肢的肘关节、腕关节的研究常常与骨折以及其他骨骼创伤性疾病的应力分析联系在一起。而在髋关节方面,有限元分析较为广泛地应用于全髋关节置换的研究,分析全髋关节置换术前术后髋关节应力的分布情况,而且还可对骨水泥残余应力的细致分析和假体设计进行研究。对于膝关节分析来说,建立一个完整的三维有限元计算模型,不仅可以了解各部位的应力分布和工作原理,还有助于人工膝关节置换的合理设计。

  • 足部有限元分析
      当CAE技术应用于足部生物力学研究时,复杂的骨胳几何结构、边界条件和材料的不均匀性等问题便找到了可能的解决途径,人们也尝试对足部骨骼、软组织等结构内部的应力传递机理进行力学解释。此类计算分析模型不仅可以分析Lisfranc损伤和Midfoot融合等足部疾病,研究例如Hansen氏病和糖尿病人发生的足骨变形等病理现象的力学成因,还可以就鞋垫的舒适性、高跟鞋的致病性等日常问题进行分析。

  • 人体软组织有限元分析
      除了骨骼以外,人体软组织的研究也在不断深入。人体软组织研究主要针对人体运动系统皮肤以下骨骼之外的肌肉、韧带、筋膜、肌腱、滑膜、脂肪、关节囊等组织以及周围神经、血管。一般在以骨骼为主要研究对象的同时,如果需要考虑软组织的存在和影响,出于使用方便灵活的角度出发,通常都尽量在结构分析软件里面寻求模拟方案。如图7所示,这时候寻找合适的非线性材料本构模型来模拟对应的脑内多种不同物质特性就非常重要。

  • 心脑血管流体及流固耦合分析
      有时血液等流质因素也不可忽视,如开展心血管等疾病如主动脉瘤的研究时,血液动力学参数如壁面切应力、压力和血流速度等与动脉瘤的生长及破裂有着重要联系。这时就要借助CFX、FLUENT等流体力学分析软件来进行胸主动脉瘤的血流动力学分析,获得血液流场的流线、速度矢量、血管壁面压力等关注对象的分布和变化情况。