牛曉東 盧莉蓉

山西長治醫(yī)學(xué)院 山西長治 046000

有限元分析是一種廣泛應(yīng)用于工程科學(xué)技術(shù)的數(shù)學(xué)物理方法，用于模擬并解決各種工程力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等物理場問題。1956年Turner等人提出有限元(Finite Element，F(xiàn)E)的概念。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。

隨著計算機技術(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計和分析中得到越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機大多數(shù)設(shè)計制造已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、生物醫(yī)學(xué)研究等各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

1 醫(yī)學(xué)有限元國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

有限元方法最早應(yīng)用于骨科研究，開始于脊柱生物力學(xué)[1]。幾十年來其在解決生物力學(xué)問題上得到了廣泛應(yīng)用，尤其近年來，隨著數(shù)字及計算機技術(shù)的不斷進步，有限元法本身已不再是相對獨立地研究生物力學(xué)性質(zhì)，它越來越多地與各種動力學(xué)模型、參數(shù)優(yōu)化選擇、臨床放射學(xué)與實物測量、有機化學(xué)、組織學(xué)與免疫組化等方法巧妙結(jié)合，使結(jié)果更加準確可靠，成為生物力學(xué)研究中的一種重要工具。有限元方法在醫(yī)學(xué)上的研究主要包括以下四個方面。

1.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立，直接影響有限元仿真實驗結(jié)果的精度、計算機計算過程、計算時間的長短，且模型建立的優(yōu)劣與建模人員的專業(yè)素質(zhì)和有限元知識分不開?，F(xiàn)有研究的模型包括：人眼[2]、牙齒及矯正器[3]、脊柱[4]、顱腦骨骼[5]、胃[6]等人體骨骼及器官的三維有限元模型。

1.2 力學(xué)實驗仿真

A.Pandolfi，F(xiàn).Manganiello對所建立的人眼角膜模型進行了力學(xué)分析[7]。Tammy L HD等對建立的脛股關(guān)節(jié)三維有限元模型分析了骨骼變形對關(guān)節(jié)面接觸行為的影響以及約束關(guān)節(jié)運動對接觸應(yīng)力的影響等[8]。

脊柱生物力學(xué)仿真是有限元法在生物力學(xué)中研究最早、分析最多、臨床上應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。杜東鵬等則對腰椎間盤膨隆的力學(xué)機制與腰椎疲勞骨折分別進行了探討[9]。

頭顱及顳下關(guān)節(jié)也是有限元在生物力學(xué)中研究的重點。呂長生等對建立的足部骨組織模型進行有限元分析，為運動損傷或運動鞋的評價等提供了依據(jù)[10]。王芳等建立并驗證中國人全頸椎有限元模型，用于揮鞭樣損傷分析[11]。米那瓦爾·阿不都熱依木采用有限元方法，對頜面外科手術(shù)術(shù)后的顏面軟組織形態(tài)變化進行預(yù)測[12]。

1.3 醫(yī)療器械的力學(xué)性能評價及優(yōu)化設(shè)計

牙科是有限元法在臨床應(yīng)用中的一大領(lǐng)域，相應(yīng)的各種牙科固定器材得以研制開發(fā)，這些器材的力學(xué)性能又是研制過程中重點解決的問題。蔡玉惠等研究了RPA卡環(huán)在游離端義齒應(yīng)用中支持組織的應(yīng)力分布狀況，對RPA卡環(huán)的臨床應(yīng)用具有力學(xué)上的指導(dǎo)作用[9]。

在內(nèi)固定鋼板方面，張美超等從臨床應(yīng)用出發(fā)，利用有限元法對頸前路蝶型鋼板進行生物力學(xué)模擬分析，得到了與其一致的易斷裂部位預(yù)測[9]。

在人工關(guān)節(jié)方面，Heegaard JH等建立了髕骨的計算模型，并且模擬了在人工膝關(guān)節(jié)中去掉股骨假體對髕骨活動的影響[13]。王永書等對患者胸腰椎爆裂性骨折節(jié)段(T12～L2)部位利用有限元進行手術(shù)模擬，均與標本模型及術(shù)后CT掃描基本相符[14]。

1.4 血流動力學(xué)CFD應(yīng)用

Tarbell JM用FIDAP和Fluent軟件進行了血管壁中組織液流動的數(shù)值研究[15]。喬愛科等利用有限元分析方法得出冠狀動脈搭橋術(shù)中對稱雙路搭橋比單路搭橋具有更合理的血流動力學(xué)，可以避免動脈粥樣硬化的危險性血流動力學(xué)因素，從而減少手術(shù)再狹窄的發(fā)生[16]。楊金有應(yīng)用CFD計算流體力學(xué)軟件進行人體主動脈內(nèi)血流數(shù)值模擬分析，為闡明血管疾病的發(fā)病機理提供理論依據(jù)[17]。姚偉用計算流體力學(xué)軟件Fluent計算人體小腿骨間膜組織間隙中蛋白質(zhì)非均勻分布情況下組織液流動[18]。

2 醫(yī)學(xué)有限元仿真實驗方法

通過上述醫(yī)學(xué)有限元研究可得醫(yī)學(xué)仿真實驗的方法主要分為四步：(1)通過螺旋CT技術(shù)，采集大量的樣本圖像。運用現(xiàn)有醫(yī)用物理實驗室計算機對樣本圖像進行建模處理，并進行相關(guān)的有限元分析。(2)通過查閱相關(guān)國內(nèi)外資料，針對所需建立模型的生理、物理等參數(shù)特性，在幾種常用圖像處理軟件(Mimcs，Proe等)中選取較為合理準確的有限元建模軟件。(3)在常用有限元分析軟件(ANSYS，F(xiàn)luent等)中選取較為合理準確的軟件對模型進行有限元分析。(4)將有限元分析結(jié)果與實際測量數(shù)據(jù)進行對比，分析有限元模型的準確性。

3 有限元法在醫(yī)學(xué)研究中的優(yōu)勢

有限元法在醫(yī)學(xué)研究中具有四個方面的突出優(yōu)勢：(1)可根據(jù)需要產(chǎn)生各種各樣的標本，對模型進行實驗條件仿真，模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種力學(xué)實驗，可以在不同實驗條件下模擬任意部位變形、應(yīng)力/應(yīng)變分布、內(nèi)部能量變化、極限破壞分析等情況。(2)標本也可以進行修正以模擬任何病理狀態(tài)。同一個標本在虛擬計算中可進行無數(shù)次加載或組合而不會被損壞。(3)其結(jié)果不受實驗條件的影響，也排除了實驗條件造成的誤差，而且可以重復(fù)計算，節(jié)約成本。(4)利用有限元法進行的模擬實驗具有實驗時間短、費用少、可模擬復(fù)雜條件、力學(xué)性能測試全面及可重復(fù)性好等優(yōu)點。

4 醫(yī)學(xué)院校開展醫(yī)學(xué)有限元仿真實驗的意義

在醫(yī)學(xué)院校開展醫(yī)學(xué)有限元仿真實驗，可以使學(xué)生將相關(guān)醫(yī)學(xué)、物理、生物等課程的知識綜合應(yīng)用于仿真實驗中，給生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計提供更為廣闊的范圍，使研究具有更高的水平；激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和熱情，使學(xué)生在自主科研創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，設(shè)計相關(guān)仿真實驗加以驗證、研究。同時，開展仿真實驗要求教師不僅需要對本專業(yè)知識做到“了如指掌”，而且需要教師具有仿真實驗相關(guān)的醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等非本專業(yè)學(xué)科的專業(yè)知識，還要求教師必須掌握螺旋CT掃描技術(shù)，Mimics，ANSYS等建模、仿真軟件的計算機應(yīng)用技術(shù)。這些知識對于教師實驗教學(xué)、科研水平的提高具有十分重要而深遠的意義。在開展醫(yī)學(xué)仿真實驗的基礎(chǔ)上，建設(shè)醫(yī)學(xué)仿真實驗室，不僅可以為學(xué)生提供畢業(yè)實習(xí)條件，加強實習(xí)基地建設(shè)，而且與醫(yī)院相關(guān)科室進行合作，可以在生物力學(xué)基礎(chǔ)上預(yù)測手術(shù)中、長期效果，對醫(yī)生手術(shù)具有較為科學(xué)的指導(dǎo)，加強了學(xué)校與醫(yī)院的合作。

5 結(jié)束語

建立醫(yī)學(xué)有限元實驗有兩個關(guān)鍵的問題：(1)醫(yī)用有限元模型快速準確的建立。模型的快速準確建立可以減少仿真實驗所需時間、降低費用、增加仿真的準確性和可信性。(2)建立通用的有限元模型庫，為進一步的實驗教學(xué)和科研打下堅實的基礎(chǔ)。因此需要在具體實驗實踐中逐步探索和積累。

將工程有限元分析同醫(yī)學(xué)結(jié)合開設(shè)實驗課，屬于多學(xué)科之間的交叉領(lǐng)域，不僅可以提高學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的綜合運用能力，增強學(xué)生就業(yè)與學(xué)習(xí)深造的競爭力，而且可以加強多學(xué)科教師的教學(xué)和科研合作，提高教師的教學(xué)科研水平。同時提高相關(guān)實驗室的利用率，為學(xué)生自主開展創(chuàng)新實驗提供平臺，加強學(xué)校和附屬醫(yī)院的教學(xué)科研合作，為醫(yī)學(xué)院校提供更為廣闊的教學(xué)和科學(xué)研究領(lǐng)域。

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