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有限元分析_CAE應用解決方案專家
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生物醫療行業的CAE應用解決方案

人類經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構。然而在對人體力學結構進行力學研究時,力學實驗幾乎無法直接進行,這時用有限元數值模擬力學實驗的方法恰成為一種有效手段。經過長期發展,CAE技術在生命科學研究中的應用,也取得了很多成績,尤其在人體生物力學研究中,更顯示出其極大優勢。
  20世紀60年代,在心血管系統的力學問題研究中,有限元法得到了初步應用。從70年代起,開始應用于骨科生物力學研究,最初應用于脊柱。80年代后,應用范圍逐步擴展到顱面骨、頜骨、股骨、牙齒、關節、頸椎、腰椎及其附屬結構等生物力學研究中。目前應用較廣泛的,就是結合計算結構力學和計算流體力學現有的數值軟件,針對人體不同部位進行力學仿真。利用現有有限元軟件日趨強大和完善的建模功能及其接口工具,可以擬實建立三維人體骨骼、肌肉、血管等器官組織,并模擬其生物力學材料特性。可以模擬各種類型的邊界條件和載荷約束(幾何約束、固定載荷、沖擊載荷、溫度特性等),進行結構靜力學、動力學、疲勞、流體力學等各種類型的仿真模擬,從而獲得在不同虛擬實驗條件下任意部位的變形、應力/應變分布、內部能量變化、流動特性以及極限破壞預測等特性。

CAE技術在生物力學中的典型應用包括:

顱面骨、頜骨、牙齒正畸有限元分析

脊柱有限元分析

關節有限元分析

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

顱面骨


由于人體結構的復雜性,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

網格劃分軟件:Ansa,Hypermesh

有限元分析軟件:Ansys,Abaqus,Fluent等

顱面骨、頜骨、牙齒正畸有限元分析

頭顱及顳下關節是CAE技術在生物力學中應用的重點之一。通過建立包括鼻上頜復合體、下頜骨及牙齒在內的顱頜面 硬組織形態的三維有限元模型,用來研究顱頜面硬組織在正中矢狀面上的形態特征及因生長、正畸矯治、正頜手術引起的形態變化。也可以對下頜骨內固定下的應力 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固定方法時的應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、也是臨床上應用較廣泛的領域。現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、后部結構以及肌肉韌帶等軟組織。此外,內固定器械的生物力學研究,也有助于選擇正確手術方法,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用,也覆蓋了生理負載及外來負載下腰椎各部分應力分布,手術內固定及人工假體,脊柱內固定對鄰近脊柱結構影響,骨質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)和脊椎及椎間盤內部的應力應變等各種研究。


關節有限元分析人體關節尤其是大腿骨兩端的髖關節以及膝關節,一直以來也是病癥多發部位,應用CAE技術模擬人體關節力學結構是一種有效的方法。上肢的肘關節、腕關節的研究常常與骨折以及其他骨骼創傷性疾病的應力分析聯系在一起。而在髖關節方面,有限元分析較為廣泛地應用于全髖關節置換的研究,分析全髖關節置換術前術后髖關節應力的分布情況,而且還可對骨水泥殘余應力的細致分析和假體設計進行研究。對于膝關節分析來說,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力分布和工作原理,還有助于人工膝關節置換的合理設計。


足部有限元分析

當CAE技術應用于足部生物力學研究時,復雜的骨胳幾何結構、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、軟組織等結構內部的應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氏病和糖尿病人發生的足骨變形等病理現象的力學成因,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。

足部計算



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皮膚以下骨骼之外的肌肉、韌帶、筋膜、肌腱、滑膜、脂肪、關節囊等組織以及周圍神經、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,通常都盡量在結構分析軟件里面尋求模擬方案。這時候尋找合適的非線性材料本構模型來模擬對應的腦內多種不同物質特性就非常重要。


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,血液動力學參數如壁面切應力、壓力和血流速度等與動脈瘤的生長及破裂有著重要聯系。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、血管壁面壓力等關注對象的分布和變化情況。




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