有限元技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

2013-08-28 by:johnsen 來源:一喜識字

近年來有限元方法在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域也已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。最初在人體生物力學(xué)研究中,由于對人體力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí),無法直接進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn),因此有限元分析軟件就顯示出極大的優(yōu)越性。隨后,有限元方法開始在心血管系統(tǒng)的流體力學(xué)問題以及骨科生物力學(xué)的研究中得到了初步應(yīng)用。近年來,有限元方法更是在人體組織熱傳導(dǎo)分析、人體器官三維重建等方面有著不可替代的重要作用?？偟膩碚f,根據(jù)研究工作的性質(zhì)和對象,有限元方法在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用大致可分為有限元方法應(yīng)用理論、生物實(shí)驗(yàn)仿真、有限元建模、醫(yī)療器械的力學(xué)性能評價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。

有限元方法在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用與其大量明顯的優(yōu)點(diǎn)緊密相關(guān):

首先,它可以反復(fù)使用同一模型進(jìn)行各種加載狀況的計(jì)算,保證了模型的完全相似,并能提供研究者感興趣的模型任何部位的應(yīng)力、溫度等參數(shù);

其次,電子計(jì)算機(jī)使龐大的數(shù)據(jù)處理變得方便快捷;

再次,有限元方法無需建立體外實(shí)體模型即可以進(jìn)行多種力學(xué)分析,在保證分析方法高效、精確的同時(shí)大大降低建模工作的成本。
   有限元方法應(yīng)用的媒介——有限元模型,也由最初的二維幾何模型發(fā)展到現(xiàn)在的三維實(shí)體模型。隨著模擬精度的提高,模型本身也越來越復(fù)雜,比較常見的蘭維有限元模型建立方法有以下幾種:
     1、直接生成法:其中包括磨片、切片法和三維測量法。這些方法的共同點(diǎn)是根據(jù)實(shí)物測量得到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),然后直接輸入計(jì)算機(jī)建立模型,在建立簡單的小型三維有限元模型時(shí)比較方便。但是當(dāng)模型比較復(fù)雜時(shí),待測點(diǎn)的數(shù)量非常多,需要很長的時(shí)間來測量并轄模型數(shù)字化,因此直接生成法不適合建立復(fù)雜的三維有限元模型。張愛平等通過這種方法建立了人體腰椎段脊柱三維有限元模型。
     2、CT圖像處理法:這種方法首先對研究的實(shí)體對象進(jìn)行CT掃描,獲得原始的CT膠片:再將這些膠片通過掃描、攝像等方法輸入計(jì)算機(jī),并以位圖格式存儲,獲得二維圖像;然后使用圖像分析軟件對二維位圖進(jìn)行分析,形成輪廓線位罔,獲取圖像邊界數(shù)據(jù);雖后將獲得的數(shù)據(jù)輸入三維有限元分析軟件中處理,獲得有限元模型。該方法不僅需要花費(fèi)大量人力物力,而且在通過膠片掃描傳遞數(shù)據(jù)的過程巾容易丟失很多信息,掃描時(shí)的對位不準(zhǔn)也會極大地影響模型的精確程度。
     3、DICOM數(shù)據(jù)直接建模法:DICOM是醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像通訊(Digital Imaging and Communications in Medicine)E縮寫。DICOM標(biāo)準(zhǔn)是由美國數(shù)字圖像和通信標(biāo)準(zhǔn)委員會制定、近年來在醫(yī)學(xué)信息領(lǐng)域蓬勃興起井迅速推廣的一種通用醫(yī)學(xué)圖像存儲及數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn),已廣泛應(yīng)用于各類醫(yī)學(xué)成像設(shè)備。這種方法能將醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像直接轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,再結(jié)合其他逆向工程軟件及有限元分析軟件快速精確地建立三維有限元模型,極大地減少了人為產(chǎn)生的曝差。
    所以總結(jié)起來,有限元技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域逐年增多,其基本過程為:

1、通過三維重建軟件,把CT掃描數(shù)據(jù)或DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)出三維CAD模型,這就是人體器官三維重建過程,是應(yīng)用有限元分析的先決條件。

2、根據(jù)分析目標(biāo)對三維CAD模型進(jìn)行修正和簡化

3、選擇適當(dāng)?shù)挠邢拊浖瓦m當(dāng)?shù)挠邢拊治瞿Ｐ瓦M(jìn)行有限元分析(包括標(biāo)準(zhǔn)前處理、分析運(yùn)算、后處理等)

這方面的一般案例有:人體器官三維重建;骨折后的手術(shù)支架的強(qiáng)度分析,以確保手術(shù)植入的保固定裝置能承受一定的強(qiáng)度;植入人體的其他康復(fù)輔助設(shè)備的強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命分析等,如心臟起搏器的疲勞壽命分析。

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