有限元技術在生物醫學領域的應用

2013-08-28 by:johnsen 來源:一喜識字

近年來有限元方法在生物醫學工程領域也已經有了廣泛的應用。最初在人體生物力學研究中,由于對人體力學結構進行分析時,無法直接進行力學實驗,因此有限元分析軟件就顯示出極大的優越性。隨后,有限元方法開始在心血管系統的流體力學問題以及骨科生物力學的研究中得到了初步應用。近年來,有限元方法更是在人體組織熱傳導分析、人體器官三維重建等方面有著不可替代的重要作用。總的來說,根據研究工作的性質和對象,有限元方法在生物醫學工程中的應用大致可分為有限元方法應用理論、生物實驗仿真、有限元建模、醫療器械的力學性能評價及優化設計等幾個方面。

有限元方法在生物醫學工程領域的廣泛應用與其大量明顯的優點緊密相關:

首先,它可以反復使用同一模型進行各種加載狀況的計算,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力、溫度等參數;

其次,電子計算機使龐大的數據處理變得方便快捷;

再次,有限元方法無需建立體外實體模型即可以進行多種力學分析,在保證分析方法高效、精確的同時大大降低建模工作的成本。
   有限元方法應用的媒介——有限元模型,也由最初的二維幾何模型發展到現在的三維實體模型。隨著模擬精度的提高,模型本身也越來越復雜,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。這些方法的共同點是根據實物測量得到每一個節點的坐標,然后直接輸入計算機建立模型,在建立簡單的小型三維有限元模型時比較方便。但是當模型比較復雜時,待測點的數量非常多,需要很長的時間來測量并轄模型數字化,因此直接生成法不適合建立復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體對象進行CT掃描,獲得原始的CT膠片:再將這些膠片通過掃描、攝像等方法輸入計算機,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行分析,形成輪廓線位罔,獲取圖像邊界數據;雖后將獲得的數據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大量人力物力,而且在通過膠片掃描傳遞數據的過程巾容易丟失很多信息,掃描時的對位不準也會極大地影響模型的精確程度。
     3、DICOM數據直接建模法:DICOM是醫學數字圖像通訊(Digital Imaging and Communications in Medicine)E縮寫。DICOM標準是由美國數字圖像和通信標準委員會制定、近年來在醫學信息領域蓬勃興起井迅速推廣的一種通用醫學圖像存儲及數據通訊標準,已廣泛應用于各類醫學成像設備。這種方法能將醫學數字圖像直接轉入計算機進行處理,再結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生的曝差。
    所以總結起來,有限元技術在生物醫學領域的應用領域逐年增多,其基本過程為:

1、通過三維重建軟件,把CT掃描數據或DICOM數據導出三維CAD模型,這就是人體器官三維重建過程,是應用有限元分析的先決條件。

2、根據分析目標對三維CAD模型進行修正和簡化

3、選擇適當的有限元軟件和適當的有限元分析模型進行有限元分析(包括標準前處理、分析運算、后處理等)

這方面的一般案例有:人體器官三維重建;骨折后的手術支架的強度分析,以確保手術植入的保固定裝置能承受一定的強度;植入人體的其他康復輔助設備的強度、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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