有限元分析在醫(yī)療領(lǐng)域的利用

2016-11-10 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

伴隨著人民物質(zhì)生活的提高,生活節(jié)奏的加快,人民的健康問(wèn)題顯得越來(lái)越重要。在醫(yī)療領(lǐng)域中,有限元分析能利用在那些地方呢?目前主要用于兩大方向,一是直接用于人體器官經(jīng)脈的有限元分析;二是,醫(yī)療器械的有限元分析。

一,人體器官靜脈分析

1,心腦血管的有限元分析;

心腦血管疾病是一系列涉及循環(huán)系統(tǒng)的疾病,主要由于血管的阻塞或者破裂等因素形成。血管的幾何形態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合血管的力學(xué)特性參數(shù)可以某一器官的血液循環(huán)作一系列的血液流動(dòng)分析。因此建立病變的血管和正常血管的幾何結(jié)構(gòu)模型,并進(jìn)行生物力學(xué)分析對(duì)該類(lèi)疾病的產(chǎn)生機(jī)體及臨床上的治療具有實(shí)際指導(dǎo)意義。最終通過(guò)有限元可以獲得,血管中的血流流線(xiàn)分布與流速情況;血管壁的剪切應(yīng)力分布;臨床病情的預(yù)測(cè)以及其他生物力學(xué)特性數(shù)據(jù)。

2,血管支架的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì);

心腦血管疾病是人類(lèi)健康和生命的第一殺手。目前治療一般采用微創(chuàng)介入器械治療技術(shù),血管支架在該技術(shù)中作為主要手術(shù)器械。血管支架技術(shù)用于血管狹窄治療的有效性和安全性在臨床上已取得認(rèn)可,然而,為了更好的掌握手術(shù)機(jī)制,指導(dǎo)臨床治療,血管支架在工作中的應(yīng)力、應(yīng)變、結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)、支架與血管的融合計(jì)算以及使用壽命預(yù)測(cè)一直是學(xué)者們的研究的熱點(diǎn)。最終通過(guò)有限元分析獲得,血管支架在工作中的應(yīng)力、應(yīng)變;優(yōu)化設(shè)計(jì)后的血管支架結(jié)構(gòu)參數(shù);血管支架的使用壽命預(yù)測(cè)。

3,呼吸系統(tǒng)有限元分析

支氣管哮喘以氣道結(jié)構(gòu)改變和氣道對(duì)收縮刺激因素的高反應(yīng)性為病理特征,即氣道重塑和氣道高反應(yīng)性。由于氣管不斷變化的直徑、長(zhǎng)度等等形態(tài)學(xué)變化,在正常與病理?xiàng)l件下,氣道各級(jí)結(jié)構(gòu)還會(huì)發(fā)生不均勻的收縮和擴(kuò)張,從而導(dǎo)致氣體中復(fù)雜的氣體流動(dòng)情況。因此建立各種氣管的生物力學(xué)模型,模擬氣道內(nèi)氣體流動(dòng)、物質(zhì)的傳輸以及支氣管哮喘下氣道重塑和收縮對(duì)下呼吸道氣流變化的影響來(lái)探索哮喘發(fā)病機(jī)體,為今后臨床治療指導(dǎo)提供依據(jù)。

最終獲得,支氣管、肺氣管、下呼吸道氣管等三維有限元分析模型;氣道收縮過(guò)程中氣體流場(chǎng)在整個(gè)呼吸道中的分布情況以及氣流對(duì)支氣管、下呼吸道氣管的壓力變化分布。

4,眼,耳有限元分析

在我國(guó),聽(tīng)力患病率和發(fā)病率均較高。關(guān)于對(duì)外科手術(shù)和植入器械幫助患者恢復(fù)聽(tīng)力的研究也很多。然而,隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,需要對(duì)耳部器官的生物傳聲機(jī)制進(jìn)行更深入的研究。通過(guò)建立外耳、中耳及內(nèi)耳骨迷路的三維有限元數(shù)值模型,分析人耳聲固耦合傳聲機(jī)制。

最終獲得,人耳部結(jié)構(gòu)的三維有限元分析模型;不同聲壓下鼓膜及鐙骨底板振動(dòng)位移;
5,人工聽(tīng)骨傳聲特性的有限元分析

傳導(dǎo)性耳聾是由于外耳或中耳的疾病致使外界聲波傳至內(nèi)耳過(guò)程障礙,從而引起聽(tīng)覺(jué)減退的一類(lèi)疾病?；诖伺R床上通過(guò)修補(bǔ)鼓膜和重建聽(tīng)骨鏈來(lái)恢復(fù)傳導(dǎo)性耳聾患者的聽(tīng)力。局部置換人工聽(tīng)小骨是目前治療的手段。為了獲得更好的臨床療效需要對(duì)人工聽(tīng)小骨的材料選擇、結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行必要的研究。利用三維有限元技術(shù)將人工聽(tīng)小骨與正常聽(tīng)小骨生物力學(xué)行為進(jìn)行對(duì)比分析是指導(dǎo)人工聽(tīng)小骨加工制造以及臨床治療的最佳方法。

最終獲得,人工聽(tīng)小骨的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)參數(shù);人工聽(tīng)骨與正常聽(tīng)骨的傳聲效果比較;不同聲壓下鼓膜及鐙骨底板振動(dòng)位移;

6,眼眶種植體的有限元分析

隨著社會(huì)迅速發(fā)展,由交通事故、運(yùn)動(dòng)損傷及意外傷害等原因造成顏面部外傷的發(fā)病率日益增高,其中,眼眶爆裂性骨折是當(dāng)今社會(huì)非常多見(jiàn)的一類(lèi)創(chuàng)傷性眼病。對(duì)于這類(lèi)骨折的治療種植體起到了至關(guān)重要的作用。分析種植體植入眼眶后其結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性對(duì)手術(shù)后期恢復(fù)治療具有指導(dǎo)作用。

最終獲得,眼眶及種植體組合結(jié)構(gòu)的三維有限元模型;眼眶種植體及其周?chē)M織的應(yīng)力大小及分布情況。

7,高壓氧治療對(duì)受損眼眶中視神經(jīng)影響的三維有限元分析

眼內(nèi)壓的升高壓迫了視神經(jīng),影響了軸漿的運(yùn)輸從而導(dǎo)致了視神經(jīng)的萎縮。作為腦部損傷的有效治療手段,高壓氧艙治療在臨床上廣泛應(yīng)用。但在進(jìn)行高壓氧治療時(shí),眼眶受損患者的視神經(jīng)是否會(huì)受到壓迫值得研究。利用三維有限元仿真技術(shù)可以模擬高壓氧治療對(duì)受損眼眶中視神經(jīng)的影響,為眼眶受損患者可否做高壓氧治療提供力學(xué)依據(jù)。

最終獲得,包括視神經(jīng)、眼眶、眼球、眶脂體和腦組織整體眼部三維有限元模型以及受損眼眶測(cè)的視神經(jīng)的應(yīng)力大小。

8, 眼睛近視治療的有限元模擬

近年來(lái),近視人員的數(shù)量越來(lái)越大,患者年齡也越來(lái)越年輕。近視患者已逐漸成為眼科病最主要的治療對(duì)象。目前近視治療主要采用角膜屈光手術(shù)。對(duì)于該技術(shù)中利用激光治療會(huì)影響角膜周?chē)臏囟茸兓瘜?dǎo)致其應(yīng)力變化,從而會(huì)影響手術(shù)效果以及術(shù)后并發(fā)癥。因此從生物力學(xué)的角度研究眼睛近視治療機(jī)體意義重大。

最終獲得,各種近視治療手術(shù)前后的角膜有限元模型;角膜在激光照射下的溫度分布以及應(yīng)力情況。

二,醫(yī)療器械分析

當(dāng)今先進(jìn)的手術(shù)和疑難疾病的治療對(duì)醫(yī)療器械要求越來(lái)越高,醫(yī)療器械一直是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。將有限元計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療器械的研發(fā)、指導(dǎo)各種醫(yī)療器械的結(jié)構(gòu)改進(jìn),解決了以往實(shí)驗(yàn)不方便,不經(jīng)濟(jì)的弊端。目前醫(yī)療器械的有限元分析主要在口腔科、骨科以及心腦血管科等方面。

1, 口腔科醫(yī)療器械的有限元分析

口腔疾病對(duì)于人體的健康不可忽視,近年來(lái)在口腔疾病治療技術(shù)上取得了重大突破主要得益于口腔醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平的提高。口腔種植中的種植釘、口腔修復(fù)中的牙冠、口腔正畸中的矯治弓絲、擴(kuò)弓矯治器以及牙根管預(yù)備器械等等,這些器械的結(jié)構(gòu)形狀及材料選擇設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到器械本身的力學(xué)穩(wěn)定性、抗破壞能力等力學(xué)性能,還關(guān)系到與相關(guān)組織的生物相容性等問(wèn)題。因此對(duì)各口腔器械的結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計(jì)、材料的選取進(jìn)行有限元分析很有必要。

最終可以獲得,器械的結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)尺寸;器械在工作中的受力情況;確定器械的材料選取。

2, 骨科醫(yī)療器械的有限元分析

骨的固定以及人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與固定是有限元法在骨科生物力學(xué)中最常見(jiàn)的應(yīng)用。在骨固定中常采用蝶形鋼板、Z-plate和K-plate鋼板等固定。這些鋼板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性對(duì)手術(shù)是否成功及術(shù)后恢復(fù)效果如何具有決定性作用。人工關(guān)節(jié)(髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié))的設(shè)計(jì)必須考慮其工作中的受力情況和使用壽命?；诖?對(duì)骨科醫(yī)學(xué)器械進(jìn)行有限元分析校核,保證其工作中強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等力學(xué)性能要求。

3,心腦血管科醫(yī)療器械的有限元分析

心腦血管疾病是人類(lèi)生命健康的一大殺手。目前心腦血管疾病主要采用血管支架植入血管,以達(dá)到支撐狹窄閉塞段血管,減少血管彈性回縮及再塑形,保持管腔血流通暢。而現(xiàn)行的支架較高的在狹窄率成為其進(jìn)一步發(fā)展的最大障礙。因此對(duì)于血管支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),為提高支架在工作中的穩(wěn)定性,使用壽命,保證術(shù)后不復(fù)發(fā)提供技術(shù)保證。