近些年來，數值模擬技術在機械，汽車，航空，航天，醫療，電子產品，土木及材料力學等領域得到了廣泛的應用。CAE技術已經發展到我們生活的各個角落，沒有你不敢想，只有你想不到。
今天小編分享的是CAE仿真技術在生物醫學領域的應用。
CAE在生物醫療領域中的分析問題通常包括生物固體力學、生物與生理流體力學、細胞生物力學、康復工程力學、運動系統力學等。
而隨著仿真分析技術水平的不斷提升以及國內外研究學者對醫療事業的不斷重視，在上述的五個方面從試驗和仿真分析以及解析計算三方面有了很大的發展，尤其是在仿真分析方面，不論是材料本構的開發，還是仿真手段的創新都有許多的新發展。由於CAE仿真的可重複性、高效率和通用性，廣受研究者們的青睞。
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CAE技術在生物醫學領域的典型應用
人類經過長期的勞動進化後,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,開始應用於骨科生物力學研究,最初應用於脊柱。80年代後,應用範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，並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、衝擊載荷、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/應變分佈、內部能量變化、流動特性以及極限破壞預測等特性。
A：顱面骨、頜骨、牙齒正畸仿真分析
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複合體、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徵及生長、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模擬分析，對下頜骨體部、角部骨折在骨癒合的不同時期、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。
B：脊柱仿真分析
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、後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，也有助於選擇正確手術方法，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佈，手術內固定及人工假體，脊柱內固定對鄰近脊柱結構影響，骨質疏鬆椎體壓縮性骨折，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。
圖 | 人工假肢結構仿真分析
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，一直以來也是病症多發部位，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繫在一起。
而在髖關節方面，有限元分析較為廣泛地應用於全髖關節置換的研究，分析全髖關節置換術前術後髖關節應力的分佈情況，而且還可對骨水泥殘餘應力的細緻分析和假體設計進行研究。對於膝關節分析來說，建立一個完整的三維有限元計算模型，不僅可以瞭解各部位的應力分佈和工作原理，還有助於人工膝關節置換的合理設計。
C：足部仿真分析
當CAE技術應用於足部生物力學研究時，複雜的骨胳幾何結構、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。
圖 | 足部骨骼及韌帶仿真示意圖
D: 人體軟組織仿真分析
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，出於使用方便靈活的角度出發，通常都儘量在結構分析軟件裡面尋求模擬方案。
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。
圖 | 膝關節半月板模擬分析
E: 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繫。這時就要藉助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佈和變化情況。
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CFD仿真技術在生物醫學領域大展身手
計算流體動力學（CFD）是近代流體力學、數值數學和計算機科學結合的產物。它從計算方法出發，利用計算機快速的計算能力得到流體控制方程的近似解。隨著計算機軟硬件的迅猛發展，CFD被廣泛用於現在工程領域，特別是在製造領域，用以研究和優化設計流體流動的設備和系統的性能。然後隨著近年來掃描技術和計算機技術的進步，CFD仿真技術為生物醫學領域帶來了全新的機遇。
人體解剖學和人體流體行為的複雜性，使得CFD仿真技術成為醫學領域研究的重要工具。醫學研究人員通過先進設備得到人體血液、氣流等流體運作的詳細數值，從而研究並設計出更可靠的醫學治療和設備，用以改進優化人體的流體運作，幫助病人更快的恢復健康。
A：心血管系統：
研究人員一直在應用CFD技術來預測人體內的血液循環，並越來越多地用於研究血管系統內的液體流動現象。預測這些系統中的血流循環提供了幾個好處，包括：降低術後併發症，開發更好的外科手術和醫療設備，如血泵。
圖 | 血液流動現象分析
CFD的示例應用之一是預測冠狀動脈疾病，例如動脈粥樣硬化，已知其由於生物力學和流體流動因素（例如流速和壓力變化）而發生，CFD分析可以通過使用三維醫學圖像中的冠狀動脈生成網格來執行轉換成矢量格式，隨後可以應用根據心動週期的諸如速度和壓力信息的邊界條件，並選擇合適的粘度模型來模擬非牛頓流體，以求解流體流動方程並獲得結果。
可以觀察到流體流動的壁剪切應力，速度和壓力，以預測動脈粥樣硬化的原因並確定最佳干預方法。
B：肺部氣流：
基於CFD的診斷系統幫助醫生評估患者的肺部狀態並改善預後和治療干預。已經有大量研究使用CFD方法模擬肺部。該過程需要使用MRI和CT掃描獲得精確的CAD模型並生成幾何的網格模型。為了模擬仿真氣流過程，壓力和速度值等邊界條件是先驗的。
可以施加粘貼物理邊界條件的壁以複製氣管和原代支氣管中粘液層的作用。因此，可以模擬吸入過程並且可以看到諸如在呼吸期間吸入汙染物顆粒的關鍵條件。這可以幫助醫生開發所需的醫療設備和治療方案。
C：人造器官設計：
CFD的使用也越來越多地用於評估人造器官的性能。其中一個示例應用是預測假體心臟瓣膜的生理行為。數值模擬有助於識別關於破壞血細胞的流動中高剪切速率位置的重要信息。這需要指定流入和流出的邊界條件以及剛性主動脈和瓣葉表面上的速度分量的無滑動和無通量條件。流體 - 結構相互作用技術的使用 也可用於模擬心動週期期間的瓣膜行為並改善流動的平滑性。對於其他幾種生物醫學應用，例如聲道分析，脊髓液流動，鼻竇流量，關節潤滑等，CFD的應用一直在不斷擴展。
除了生物醫學之外，計算機輔助工程技術的使用也用於研發外科手術過程中所需的醫療裝置。隨著科技的發展，將會進一步擴大CFD技術在生物醫學領域的使用範圍，併為拯救人類生命提供更多幫助。
D：腦脊髓的流體動力學計算
基於MRI圖像，進行三維模型重建，並建立了位於中樞神經系統中腦脊髓三維流體動力學有限元模型。
圖 | 腦積水病人腦部應力分佈和速度場分佈
E：心臟的流固耦合模擬
大多數的生物組織運動過程都與流固耦合有關。下圖為基於流固耦合的計算方法，模擬了某位病人左右心房和膜片的模型，目的是用來優化心臟肺動脈瓣的外科手術。
圖 | 心臟的流固耦合分析
目前人們已經開發出頭部、大腦和血管等模型來研究頭部損傷機理和損傷防護。有限元法是研究人體組織損傷機理的重要方法，由於人體組織結構的複雜性，如何建立高生物仿真度的有限元模型以及如何解決數值模擬中的高度非線性、流固耦合問題是仿真技術在生物醫學領域應用需要解決的關鍵問題。
此外，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等；有限元分析軟件：Ansys，Abaqus，Fluent等。
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