有限元分析在醫(yī)療領(lǐng)域的利用

2016-11-10  by:CAE仿真在線  來源: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,人民的健康問題顯得越來越重要。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,并進行生物力學分析對該類疾病的產(chǎn)生機體及臨床上的治療具有實際指導意義。最終通過有限元可以獲得,血管中的血流流線分布與流速情況;血管壁的剪切應(yīng)力分布;臨床病情的預(yù)測以及其他生物力學特性數(shù)據(jù)。

2,血管支架的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計;

 心腦血管疾病是人類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可,然而,為了更好的掌握手術(shù)機制,指導臨床治療,血管支架在工作中的應(yīng)力、應(yīng)變、結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計、支架與血管的融合計算以及使用壽命預(yù)測一直是學者們的研究的熱點。最終通過有限元分析獲得,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。

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、長度等等形態(tài)學變化,在正常與病理條件下,氣道各級結(jié)構(gòu)還會發(fā)生不均勻的收縮和擴張,從而導致氣體中復(fù)雜的氣體流動情況。因此建立各種氣管的生物力學模型,模擬氣道內(nèi)氣體流動、物質(zhì)的傳輸以及支氣管哮喘下氣道重塑和收縮對下呼吸道氣流變化的影響來探索哮喘發(fā)病機體,為今后臨床治療指導提供依據(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;氣道收縮過程中氣體流場在整個呼吸道中的分布情況以及氣流對支氣管、下呼吸道氣管的壓力變化分布。

4,眼,耳有限元分析


在我國,聽力患病率和發(fā)病率均較高。關(guān)于對外科手術(shù)和植入器械幫助患者恢復(fù)聽力的研究也很多。然而,隨著技術(shù)的進一步發(fā)展,需要對耳部器官的生物傳聲機制進行更深入的研究。通過建立外耳、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位移;
5,人工聽骨傳聲特性的有限元分析


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

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

6,眼眶種植體的有限元分析


隨著社會迅速發(fā)展,由交通事故、運動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今社會非常多見的一類創(chuàng)傷性眼病。對于這類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)的生物力學特性對手術(shù)后期恢復(fù)治療具有指導作用。

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

7,高壓氧治療對受損眼眶中視神經(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),影響了軸漿的運輸從而導致了視神經(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。但在進行高壓氧治療時,眼眶受損患者的視神經(jīng)是否會受到壓迫值得研究。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,近視人員的數(shù)量越來越大,患者年齡也越來越年輕。近視患者已逐漸成為眼科病最主要的治療對象。目前近視治療主要采用角膜屈光手術(shù)。對于該技術(shù)中利用激光治療會影響角膜周圍的溫度變化導致其應(yīng)力變化,從而會影響手術(shù)效果以及術(shù)后并發(fā)癥。因此從生物力學的角度研究眼睛近視治療機體意義重大。

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


當今先進的手術(shù)和疑難疾病的治療對醫(yī)療器械要求越來越高,醫(yī)療器械一直是醫(yī)學領(lǐng)域關(guān)注的重點。將有限元計算技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療器械的研發(fā)、指導各種醫(yī)療器械的結(jié)構(gòu)改進,解決了以往實驗不方便,不經(jīng)濟的弊端。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

口腔疾病對于人體的健康不可忽視,近年來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)計不僅關(guān)系到器械本身的力學穩(wěn)定性、抗破壞能力等力學性能,還關(guān)系到與相關(guān)組織的生物相容性等問題。因此對各口腔器械的結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計、材料的選取進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)計與固定是有限元法在骨科生物力學中最常見的應(yīng)用。在骨固定中常采用蝶形鋼板、Z-plate和K-plate鋼板等固定。這些鋼板的強度和穩(wěn)定性對手術(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)計必須考慮其工作中的受力情況和使用壽命。基于此,對骨科醫(yī)學器械進行有限元分析校核,保證其工作中強度、剛度、穩(wěn)定性等力學性能要求。

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一步發(fā)展的最大障礙。因此對于血管支架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,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。

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