有限元分析在醫療領域的利用

2016-11-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

伴隨著人民物質生活的提高,生活節奏的加快,人民的健康問題顯得越來越重要。在醫療領域中,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脈的有限元分析;二是,醫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系統的疾病,主要由于血管的阻塞或者破裂等因素形成。血管的幾何形態數據結合血管的力學特性參數可以某一器官的血液循環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構模型,并進行生物力學分析對該類疾病的產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;血管壁的剪切應力分布;臨床病情的預測以及其他生物力學特性數據。

2,血管支架的有限元分析及優化設計;

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介入器械治療技術,血管支架在該技術中作為主要手術器械。血管支架技術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機制,指導臨床治療,血管支架在工作中的應力、應變、結構形狀設計、支架與血管的融合計算以及使用壽命預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力、應變;優化設計后的血管支架結構參數;血管支架的使用壽命預測。

3,呼吸系統有限元分析

支氣管哮喘以氣道結構改變和氣道對收縮刺激因素的高反應性為病理特征,即氣道重塑和氣道高反應性。由于氣管不斷變化的直徑、長度等等形態學變化,在正常與病理條件下,氣道各級結構還會發生不均勻的收縮和擴張,從而導致氣體中復雜的氣體流動情況。因此建立各種氣管的生物力學模型,模擬氣道內氣體流動、物質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病機體,為今后臨床治療指導提供依據。

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,聽力患病率和發病率均較高。關于對外科手術和植入器械幫助患者恢復聽力的研究也很多。然而,隨著技術的進一步發展,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、中耳及內耳骨迷路的三維有限元數值模型,分析人耳聲固耦合傳聲機制。

最終獲得,人耳部結構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耳過程障礙,從而引起聽覺減退的一類疾病。基于此臨床上通過修補鼓膜和重建聽骨鏈來恢復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、結構形狀進行必要的研究。利用三維有限元技術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,人工聽小骨的結構優化設計后的結構參數;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傷性眼病。對于這類骨折的治療種植體起到了至關重要的作用。分析種植體植入眼眶后其結構的生物力學特性對手術后期恢復治療具有指導作用。

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

7,高壓氧治療對受損眼眶中視神經影響的三維有限元分析

眼內壓的升高壓迫了視神經,影響了軸漿的運輸從而導致了視神經的萎縮。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用。但在進行高壓氧治療時,眼眶受損患者的視神經是否會受到壓迫值得研究。利用三維有限元仿真技術可以模擬高壓氧治療對受損眼眶中視神經的影響,為眼眶受損患者可否做高壓氧治療提供力學依據。

最終獲得,包括視神經、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的應力大小。

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。對于該技術中利用激光治療會影響角膜周圍的溫度變化導致其應力變化,從而會影響手術效果以及術后并發癥。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力情況。

二,醫療器械分析

當今先進的手術和疑難疾病的治療對醫療器械要求越來越高,醫療器械一直是醫學領域關注的重點。將有限元計算技術應用到醫療器械的研發、指導各種醫療器械的結構改進,解決了以往實驗不方便,不經濟的弊端。目前醫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上取得了重大突破主要得益于口腔醫療器械的設計和生產水平的提高。口腔種植中的種植釘、口腔修復中的牙冠、口腔正畸中的矯治弓絲、擴弓矯治器以及牙根管預備器械等等,這些器械的結構形狀及材料選擇設計不僅關系到器械本身的力學穩定性、抗破壞能力等力學性能,還關系到與相關組織的生物相容性等問題。因此對各口腔器械的結構形狀的設計、材料的選取進行有限元分析很有必要。

最終可以獲得,器械的結構形狀參數尺寸;器械在工作中的受力情況;確定器械的材料選取。

2, 骨科醫療器械的有限元分析

骨的固定以及人工關節的設計與固定是有限元法在骨科生物力學中最常見的應用。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定性對手術是否成功及術后恢復效果如何具有決定性作用。人工關節(髖關節與膝關節)的設計必須考慮其工作中的受力情況和使用壽命。基于此,對骨科醫學器械進行有限元分析校核,保證其工作中強度、剛度、穩定性等力學性能要求。

3,心腦血管科醫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。而現行的支架較高的在狹窄率成為其進一步發展的最大障礙。因此對于血管支架進行結構優化設計,為提高支架在工作中的穩定性,使用壽命,保證術后不復發提供技術保證。