有限元技术在生物医学领域的应用

2013-08-28  by:johnsen  来源:一喜识字

近年来有限元方法在生物医学工程领域也已经有了广泛的应用。最初在人体生物力学研究中,由于对人体力学结构进行分析时,无法直接进行力学实验,因此有限元分析软件就显示出极大的优越性。随后,有限元方法开始在心血管系统的流体力学问题以及骨科生物力学的研究中得到了初步应用。近年来,有限元方法更是在人体组织热传导分析、人体器官三维重建等方面有着不可替代的重要作用。总的来说,根据研究工作的性质和对象,有限元方法在生物医学工程中的应用大致可分为有限元方法应用理论、生物实验仿真、有限元建模、医疗器械的力学性能评价及优化设计等几个方面。

有限元方法在生物医学工程领域的广泛应用与其大量明显的优点紧密相关:

首先,它可以反复使用同一模型进行各种加载状况的计算,保证了模型的完全相似,并能提供研究者感兴趣的模型任何部位的应力、温度等参数;

其次,电子计算机使庞大的数据处理变得方便快捷;

再次,有限元方法无需建立体外实体模型即可以进行多种力学分析,在保证分析方法高效、精确的同时大大降低建模工作的成本。
   有限元方法应用的媒介——有限元模型,也由最初的二维几何模型发展到现在的三维实体模型。随着模拟精度的提高,模型本身也越来越复杂,比较常见的兰维有限元模型建立方法有以下几种:
     1、直接生成法:其中包括磨片、切片法和三维测量法。这些方法的共同点是根据实物测量得到每一个节点的坐标,然后直接输入计算机建立模型,在建立简单的小型三维有限元模型时比较方便。但是当模型比较复杂时,待测点的数量非常多,需要很长的时间来测量并辖模型数字化,因此直接生成法不适合建立复杂的三维有限元模型。张爱平等通过这种方法建立了人体腰椎段脊柱三维有限元模型。
     2、CT图像处理法:这种方法首先对研究的实体对象进行CT扫描,获得原始的CT胶片:再将这些胶片通过扫描、摄像等方法输入计算机,并以位图格式存储,获得二维图像;然后使用图像分析软件对二维位图进行分析,形成轮廓线位罔,获取图像边界数据;虽后将获得的数据输入三维有限元分析软件中处理,获得有限元模型。该方法不仅需要花费大量人力物力,而且在通过胶片扫描传递数据的过程巾容易丢失很多信息,扫描时的对位不准也会极大地影响模型的精确程度。
     3、DICOM数据直接建模法:DICOM是医学数字图像通讯(Digital Imaging and Communications in Medicine)E缩写。DICOM标准是由美国数字图像和通信标准委员会制定、近年来在医学信息领域蓬勃兴起井迅速推广的一种通用医学图像存储及数据通讯标准,已广泛应用于各类医学成像设备。这种方法能将医学数字图像直接转入计算机进行处理,再结合其他逆向工程软件及有限元分析软件快速精确地建立三维有限元模型,极大地减少了人为产生的曝差。
    所以总结起来,有限元技术在生物医学领域的应用领域逐年增多,其基本过程为:

1、通过三维重建软件,把CT扫描数据或DICOM数据导出三维CAD模型,这就是人体器官三维重建过程,是应用有限元分析的先决条件。

2、根据分析目标对三维CAD模型进行修正和简化

3、选择适当的有限元软件和适当的有限元分析模型进行有限元分析(包括标准前处理、分析运算、后处理等)

这方面的一般案例有:人体器官三维重建;骨折后的手术支架的强度分析,以确保手术植入的保固定装置能承受一定的强度;植入人体的其他康复辅助设备的强度、刚度、疲劳寿命分析等,如心脏起搏器的疲劳寿命分析。

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