生物醫(yī)療行業(yè)的CAE應(yīng)用解決方案
人類經(jīng)過長期的勞動進化后,人體骨骼已形成了一個幾乎完美的力學結(jié)構(gòu)。然而在對人體力學結(jié)構(gòu)進行力學研究時,力學實驗幾乎無法直接進行,這時用有限元數(shù)值模擬力學實驗的方法恰成為一種有效手段。經(jīng)過長期發(fā)展，CAE技術(shù)在生命科學研究中的應(yīng)用，也取得了很多成績，尤其在人體生物力學研究中，更顯示出其極大優(yōu)勢。
CAE技術(shù)在生物力學中的典型應(yīng)用包括：
顱面骨、頜骨、牙齒正畸有限元分析
脊柱有限元分析
關(guān)節(jié)有限元分析
足部有限元分析
人體軟組織的有限元分析
心腦血管流體及流固耦合分析
由于人體結(jié)構(gòu)的復雜性，生物力學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：Ansa，Hypermesh等
有限元分析軟件：Ansys，Abaqus，F(xiàn)luent等
顱面骨、頜骨、牙齒正畸有限元分析
頭顱及顳下關(guān)節(jié)是CAE技術(shù)在生物力學中應(yīng)用的重點之一。通過建立包括鼻上頜復合體、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)特征及因生長、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 遮擋作用進行有限元力學分析，對下頜骨體部、角部骨折在骨愈合的不同時期、不同的咬合形式及不同的內(nèi)固定方法時的應(yīng)力遮擋率進行計算分析。
脊柱有限元分析
脊柱生物力學仿真是有限元法在生物力學中研究的較早、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、肌肉的各種力學性能。有限元在頸椎生物力學中的研究對象又可以細分為椎體、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，也覆蓋了生理負載及外來負載下腰椎各部分應(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)用等多個方面，有力促進了脊柱動力學(載荷下的脊柱運動)、運動學(椎體間運動)和脊椎及椎間盤內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變等各種研究。
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)力的細致分析和假體設(shè)計進行研究。對于膝關(guān)節(jié)分析來說，建立一個完整的三維有限元計算模型，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。
足部有限元分析
當CAE技術(shù)應(yīng)用于足部生物力學研究時，復雜的骨胳幾何結(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)力傳遞機理進行力學解釋。此類計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行分析。
人體軟組織有限元分析
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，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。
心腦血管流體及流固耦合分析
有時血液等流質(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，血液動力學參數(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。這時就要借助CFX、FLUENT等流體力學分析軟件來進行胸主動脈瘤的血流動力學分析，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。
