疫情當(dāng)前，仿真在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以做什么？

近些年來，數(shù)值模擬技術(shù)在機(jī)械，汽車，航空，航天，醫(yī)療，電子產(chǎn)品，土木及材料力學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CAE技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到我們生活的各個(gè)角落，沒有你不敢想，只有你想不到。

今天分享的是CAE仿真技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

CAE在生物醫(yī)療領(lǐng)域中的分析問題通常包括生物固體力學(xué)、生物與生理流體力學(xué)、細(xì)胞生物力學(xué)、康復(fù)工程力學(xué)、運(yùn)動系統(tǒng)力學(xué)等。

而隨著仿真分析技術(shù)水平的不斷提升以及國內(nèi)外研究學(xué)者對醫(yī)療事業(yè)的不斷重視，在上述的五個(gè)方面從試驗(yàn)和仿真分析以及解析計(jì)算三方面有了很大的發(fā)展，尤其是在仿真分析方面，不論是材料本構(gòu)的開發(fā)，還是仿真手段的創(chuàng)新都有許多的新發(fā)展。由于CAE仿真的可重復(fù)性、高效率和通用性，廣受研究者們的青睞。

1. CAE技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的典型應(yīng)用

人類經(jīng)過長期的勞動進(jìn)化后,人體骨骼已形成了一個(gè)幾乎完美的力學(xué)結(jié)構(gòu)。然而在對人體力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)研究時(shí),力學(xué)實(shí)驗(yàn)幾乎無法直接進(jìn)行,這時(shí)用有限元數(shù)值模擬力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法恰成為一種有效手段。

經(jīng)過長期發(fā)展，CAE技術(shù)在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用,也取得了很多成績，尤其在人體生物力學(xué)研究中,更顯示出其極大優(yōu)勢。

20世紀(jì)60年代,在心血管系統(tǒng)的力學(xué)問題研究中,有限元法得到了初步應(yīng)用。從70年代起,開始應(yīng)用于骨科生物力學(xué)研究,最初應(yīng)用于脊柱。80年代后,應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)展到顱面骨、頜骨、股骨、牙齒、關(guān)節(jié)、頸椎、腰椎及其附屬結(jié)構(gòu)等生物力學(xué)研究中。目前應(yīng)用較廣泛的，就是結(jié)合計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)現(xiàn)有的數(shù)值軟件，針對人體不同部位進(jìn)行力學(xué)仿真。

利用現(xiàn)有有限元軟件日趨強(qiáng)大和完善的建模功能及其接口工具，可以擬實(shí)建立三維人體骨骼、肌肉、血管等器官組織，并模擬其生物力學(xué)材料特性。可以模擬各種類型的邊界條件和載荷約束（幾何約束、固定載荷、沖擊載荷、溫度特性等)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、動力學(xué)、疲勞、流體力學(xué)等各種類型的仿真模擬，從而獲得在不同虛擬實(shí)驗(yàn)條件下任意部位的變形、應(yīng)力/應(yīng)變分布、內(nèi)部能量變化、流動特性以及極限破壞預(yù)測等特性。

A：顱面骨、頜骨、牙齒正畸仿真分析

頭顱及顳下關(guān)節(jié)是CAE技術(shù)在生物力學(xué)中應(yīng)用的重點(diǎn)之一。通過建立包括鼻上頜復(fù)合體、下頜骨及牙齒在內(nèi)的顱頜面硬組織形態(tài)的三維有限元模型，用來研究顱頜面硬組織在正中矢狀面上的形態(tài)特征及生長、正畸矯治、正頜手術(shù)引起的形態(tài)變化。也可以對下頜骨內(nèi)固定下的應(yīng)力遮擋作用進(jìn)行模擬分析，對下頜骨體部、角部骨折在骨愈合的不同時(shí)期、不同的咬合形式及不同的內(nèi)固定方法時(shí)的應(yīng)力遮擋率進(jìn)行計(jì)算分析。

B：脊柱仿真分析

脊柱生物力學(xué)仿真是有限元法在生物力學(xué)中研究的較早、分析的較多、也是臨床上應(yīng)用較廣泛的領(lǐng)域?，F(xiàn)今研究脊柱的工作使模型不僅能逼真地模擬椎骨、椎間盤,還能將周圍的韌帶、肌肉直接或間接地加入模型，使模擬更加真實(shí)與完善。這些工作不僅要求建立逼真的脊椎模型，而且要求測試椎間盤、周圍韌帶、肌肉的各種力學(xué)性能。

有限元在頸椎生物力學(xué)中的研究對象又可以細(xì)分為椎體、椎間盤、后部結(jié)構(gòu)以及肌肉韌帶等軟組織。此外，內(nèi)固定器械的生物力學(xué)研究，也有助于選擇正確手術(shù)方法，以取得極佳矯形和固定效果。

有限元分析在脊柱腰椎段的應(yīng)用，也覆蓋了生理負(fù)載及外來負(fù)載下腰椎各部分應(yīng)力分布，手術(shù)內(nèi)固定及人工假體，脊柱內(nèi)固定對鄰近脊柱結(jié)構(gòu)影響，骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折，以及肌肉和韌帶在有限元模型中的應(yīng)用等多個(gè)方面，有力促進(jìn)了脊柱動力學(xué)(載荷下的脊柱運(yùn)動)、運(yùn)動學(xué)(椎體間運(yùn)動)和脊椎及椎間盤內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變等各種研究。

圖 | 人工假肢結(jié)構(gòu)仿真分析

 關(guān)節(jié)有限元分析人體關(guān)節(jié)尤其是大腿骨兩端的髖關(guān)節(jié)以及膝關(guān)節(jié)，一直以來也是病癥多發(fā)部位，應(yīng)用CAE技術(shù)模擬人體關(guān)節(jié)力學(xué)結(jié)構(gòu)是一種有效的方法。上肢的肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的研究常常與骨折以及其他骨骼創(chuàng)傷性疾病的應(yīng)力分析聯(lián)系在一起。

而在髖關(guān)節(jié)方面，有限元分析較為廣泛地應(yīng)用于全髖關(guān)節(jié)置換的研究，分析全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前術(shù)后髖關(guān)節(jié)應(yīng)力的分布情況，而且還可對骨水泥殘余應(yīng)力的細(xì)致分析和假體設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。對于膝關(guān)節(jié)分析來說，建立一個(gè)完整的三維有限元計(jì)算模型，不僅可以了解各部位的應(yīng)力分布和工作原理，還有助于人工膝關(guān)節(jié)置換的合理設(shè)計(jì)。

C：足部仿真分析

當(dāng)CAE技術(shù)應(yīng)用于足部生物力學(xué)研究時(shí)，復(fù)雜的骨胳幾何結(jié)構(gòu)、邊界條件和材料的不均勻性等問題便找到了可能的解決途徑，人們也嘗試對足部骨骼、軟組織等結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力傳遞機(jī)理進(jìn)行力學(xué)解釋。此類計(jì)算分析模型不僅可以分析Lisfranc損傷和Midfoot融合等足部疾病，研究例如Hansen氏病和糖尿病人發(fā)生的足骨變形等病理現(xiàn)象的力學(xué)成因，還可以就鞋墊的舒適性、高跟鞋的致病性等日常問題進(jìn)行分析。

圖 | 足部骨骼及韌帶仿真示意圖

D: 人體軟組織仿真分析

除了骨骼以外，人體軟組織的研究也在不斷深入。人體軟組織研究主要針對人體運(yùn)動系統(tǒng)皮膚以下骨骼之外的肌肉、韌帶、筋膜、肌腱、滑膜、脂肪、關(guān)節(jié)囊等組織以及周圍神經(jīng)、血管。一般在以骨骼為主要研究對象的同時(shí)，如果需要考慮軟組織的存在和影響，出于使用方便靈活的角度出發(fā)，通常都盡量在結(jié)構(gòu)分析軟件里面尋求模擬方案。這時(shí)候?qū)ふ液线m的非線性材料本構(gòu)模型來模擬對應(yīng)的腦內(nèi)多種不同物質(zhì)特性就非常重要。

圖 | 膝關(guān)節(jié)半月板模擬分析

 E: 心腦血管流體及流固耦合分析

有時(shí)血液等流質(zhì)因素也不可忽視，如開展心血管等疾病如主動脈瘤的研究時(shí)，血液動力學(xué)參數(shù)如壁面切應(yīng)力、壓力和血流速度等與動脈瘤的生長及破裂有著重要聯(lián)系。這時(shí)就要借助CFX、FLUENT等流體力學(xué)分析軟件來進(jìn)行胸主動脈瘤的血流動力學(xué)分析，獲得血液流場的流線、速度矢量、血管壁面壓力等關(guān)注對象的分布和變化情況。

2. CFD仿真技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域大展身手

計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。它從計(jì)算方法出發(fā)，利用計(jì)算機(jī)快速的計(jì)算能力得到流體控制方程的近似解。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的迅猛發(fā)展，CFD被廣泛用于現(xiàn)在工程領(lǐng)域，特別是在制造領(lǐng)域，用以研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)流體流動的設(shè)備和系統(tǒng)的性能。然后隨著近年來掃描技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，CFD仿真技術(shù)為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來了全新的機(jī)遇。 

人體解剖學(xué)和人體流體行為的復(fù)雜性，使得CFD仿真技術(shù)成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的重要工具。醫(yī)學(xué)研究人員通過先進(jìn)設(shè)備得到人體血液、氣流等流體運(yùn)作的詳細(xì)數(shù)值，從而研究并設(shè)計(jì)出更可靠的醫(yī)學(xué)治療和設(shè)備，用以改進(jìn)優(yōu)化人體的流體運(yùn)作，幫助病人更快的恢復(fù)健康。

A：心血管系統(tǒng)：

研究人員一直在應(yīng)用CFD技術(shù)來預(yù)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(yù)測這些系統(tǒng)中的血流循環(huán)提供了幾個(gè)好處，包括：降低術(shù)后并發(fā)癥，開發(fā)更好的外科手術(shù)和醫(yī)療設(shè)備，如血泵。

 圖 | 血液流動現(xiàn)象分析

 CFD的示例應(yīng)用之一是預(yù)測冠狀動脈疾病，例如動脈粥樣硬化，已知其由于生物力學(xué)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(xué)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(yīng)用根據(jù)心動周期的諸如速度和壓力信息的邊界條件，并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。

可以觀察到流體流動的壁剪切應(yīng)力，速度和壓力，以預(yù)測動脈粥樣硬化的原因并確定最佳干預(yù)方法。

B：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(yù)后和治療干預(yù)。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(yàn)的。

可以施加粘貼物理邊界條件的壁以復(fù)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(guān)鍵條件。這可以幫助醫(yī)生開發(fā)所需的醫(yī)療設(shè)備和治療方案。

C：人造器官設(shè)計(jì)：

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(gè)示例應(yīng)用是預(yù)測假體心臟瓣膜的生理行為。數(shù)值模擬有助于識別關(guān)于破壞血細(xì)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(shù)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。對于其他幾種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如聲道分析，脊髓液流動，鼻竇流量，關(guān)節(jié)潤滑等，CFD的應(yīng)用一直在不斷擴(kuò)展。

除了生物醫(yī)學(xué)之外，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的使用也用于研發(fā)外科手術(shù)過程中所需的醫(yī)療裝置。隨著科技的發(fā)展，將會進(jìn)一步擴(kuò)大CFD技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的使用范圍，并為拯救人類生命提供更多幫助。

D：腦脊髓的流體動力學(xué)計(jì)算

基于MRI圖像，進(jìn)行三維模型重建，并建立了位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中腦脊髓三維流體動力學(xué)有限元模型。

圖 |  腦積水病人腦部應(yīng)力分布和速度場分布

 E：心臟的流固耦合模擬

大多數(shù)的生物組織運(yùn)動過程都與流固耦合有關(guān)。下圖為基于流固耦合的計(jì)算方法，模擬了某位病人左右心房和膜片的模型，目的是用來優(yōu)化心臟肺動脈瓣的外科手術(shù)。

 圖 |  心臟的流固耦合分析

目前人們已經(jīng)開發(fā)出頭部、大腦和血管等模型來研究頭部損傷機(jī)理和損傷防護(hù)。有限元法是研究人體組織損傷機(jī)理的重要方法，由于人體組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如何建立高生物仿真度的有限元模型以及如何解決數(shù)值模擬中的高度非線性、流固耦合問題是仿真技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵問題。此外，生物力學(xué)仿真分析涉及到的軟件包括:逆向處理軟件：Imageware，Mimics，Geomagic等；網(wǎng)格劃分軟件：Hypermesh，Ansa等；有限元分析軟件：Abaqus，Fluent，Ansys等。

來源：網(wǎng)絡(luò)