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生物医疗

概述

现代生物医学工程是综合生物学、医学和工程学(包括计算机科学、信息科学)的边缘学科,属于高科技领域。其研究领域不仅涉及到人体骨骼结构、血液流动等生命科学,而且涉及到医疗设备、电子仪器等机械、电子等科学领域。目前在生物医学行业,由于实验测量手段的限制,昂贵的实验费用,实验设备等局限,生物力学实验研究通常局限于对整体运动分析上,而对其内部运动和受力分布很少涉及,这就造成实验测试不准确,使得设计的产品不合理,生产的产品存在潜在的危险。随着计算机计算能力提高和数值计算技术的进步,CAE分析在结构分析、热场、声场、流体、电磁场以及多场耦合分析能力不断得到拓展。在生物医学工程领域,也逐渐应用有限单元法进行设计和分析,有限元数值分析的地位和作用已经逐渐显现出来并变得日益重要。

生物力学作为生物医学发展的一个分支,一直是CAE领域最热门的研究方向之一,她是现代医学和力学综合发展的产物,其研究范围不仅包含流体分析、热场分析、声场分析,也包含结构力学分析、电子场分析以及耦合场分析等研究,涉及问题十分复杂。因此要达到求解和分析的要求,所用的工具不但必须具有一般的固体的静态和动态分析功能和流体流动分析功能,而且还应具有解决复杂的热传导、声场、电磁场、以及多物理场耦合问题的能力,并且对于非线性静力/动力、以及各种复杂的复合高度非线性问题的求解方面都应具有良好的解决方案。此外,由于医学系统结构十分复杂,并很难简化,例如人体骨骼系统等,设计软件往往还要求能够模拟复杂的载荷和边界条件,因此分析软件不仅应该具有很强的数值运算能力和高效的求解技术,还应该具有快速生成高质量网格的技术、方便的前后处理技术、方便的操作环境以及良好的开放性特征。

应用领域

CAE在生物医疗领域中的分析问题通常包括生物固体力学、生物与生理流体力学、细胞生物力学、康复工程力学、运动系统力学等。而随着仿真分析技术水平的不断提升以及国内外研究学者对医疗事业的不断重视,在上述的五个方面从试验和仿真分析以及解析计算三方面有了很大的发展,尤其是在仿真分析方面,不论是材料本构的开发,还是仿真手段的创新都有许多的新发展。由于CAE仿真的可重复性、高效率和通用性,广受研究者们的青睐。

生物固体力学

对于常见的生物固体力学问题,其初始的几何模型往往是不能直接得到的,需要通过其他手段得到的,我们利用螺旋CT扫描仪器得到DICOM格式的图像,然后借助三维重建软件建立三维模型,最后在功能强大的非线性有限元软件ABAQUS中进行求解。

网格划分与后处理

在生物医学结构网格划分中,由于几何形状的不规则和复合结构的多样性,因此对于任何的有限元分析,必须具有优质的网格模型,以确保求解的正确性。

借助国际公认的最快捷的有限元前后处理软件Hypermesh,我们能够为生物医疗中的CAE分析提供高质量的网格模型。该软件具备超强的几何清理功能,面网格划分与编辑功能,六面体划分功能,CFD网格划分与边界层网格处理,Morphing网格参数化功能,最强的Batch Mesh批处理网格划分功能,丰富的全主流CAE求解器接口功能等。同时,Hypermesh是一个功能强大的统一CAE分析结果后处理平台,可以直接读取各种主流的结构和流体CAE分析软件的分析结果,进行各种需要的后处理工作。

运动系统仿真

目前许多医学领域产品繁多,且在开发的过程中成本较高。产品开发过程中采用市场调研——产品方案确定——产品开发⇔试验——量产流程,导致开发周期长,成本高,没有充分利用计算机仿真的优势。采用CAE分析方法,由于具有强大的建模功能,能够对复杂的几何形状,材料参数和不同受力条件下的物体进行参数化模拟仿真研究,可得到实验方法无法或难以得到的内部信息。 我们利用Abaqus软件的运动学模块,进行机械运动仿真,可有效解决以上遇到的问题,缩短产品的开发周期和再设计次数,设计出更合理、更符合人体工程学的产品,为人体健康提供更高的保障。

膝关节半月板的替换

膝关节半月板处在胫骨和股骨之间,其功能为力学垫片和对振动的吸收

• 为了避免迫切的退化,人们增加了对半月板的替换兴趣.

• 膝关节半月板替换的内容包括:异体移植物的替换,人造生物材料的替换和生物组织的替换.

• 存在的挑战主要体现在,异体移植物的大小,形状和材料属性的充足匹配以及外科植入技术和耐磨性

• 使用多空弹性模型来模拟双相局部各项异性软骨

• 使用动力学和外科植入技术模拟接触

足部计算用

在任何足矫正和外科手术之前,都必须对正常脚的生物力学有正确的认识。脚和踝中应力和应变的分布信息是对脚踝复合体认识的提升。对于脚和踝的复杂体的运动和载荷分布,试验是昂贵和困难的。有限元方法允许对脚和软组织之间的关节运动和载荷分布的预测,进行有效的载荷条件,结构和材料变量分析。借助三维几何重构软件和Hypermesh构造出有限元网格模型,在abaqus进行中进行求解。

对于足部的韧带均利用梁单元等效,为便于肌肉力的施加,还建立了连接单元,并将仿真结果与试验结果进行了对比。


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