CFD仿真在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域拯救生命

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD：Computational Fluid Dynamics）是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。它從計(jì)算方法出發(fā)，利用計(jì)算機(jī)快速的計(jì)算能力得到流體控制方程的近似解。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的迅猛發(fā)展，CFD被廣泛用于現(xiàn)在工程領(lǐng)域，特別是在制造領(lǐng)域，用以研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)流體流動(dòng)的設(shè)備和系統(tǒng)的性能。然后隨著近年來掃描技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，CFD仿真為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來了全新的機(jī)遇。

人體解剖學(xué)和人體流體行為的復(fù)雜性，使得CFD仿真技術(shù)成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的重要工具。醫(yī)學(xué)研究人員通過先進(jìn)設(shè)備得到人體血液、氣流等流體運(yùn)作的詳細(xì)數(shù)值，從而研究并設(shè)計(jì)出更可靠的醫(yī)學(xué)治療和設(shè)備，用以改進(jìn)優(yōu)化人體的流體運(yùn)作，幫助病人更快的恢復(fù)健康。元王作為國內(nèi)CAE仿真應(yīng)用解決方案的專家，通過專業(yè)的視角，為大家簡要介紹CFD仿真在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的的新興應(yīng)用。

心血管系統(tǒng)：

研究人員一直在應(yīng)用CFD技術(shù)來預(yù)測(cè)人體內(nèi)的血液循環(huán)，并越來越多地用于研究血管系統(tǒng)內(nèi)的液體流動(dòng)現(xiàn)象。預(yù)測(cè)這些系統(tǒng)中的血流循環(huán)提供了幾個(gè)好處，包括：降低術(shù)后并發(fā)癥，開發(fā)更好的外科手術(shù)和醫(yī)療設(shè)備，如血泵。

CFD的示例應(yīng)用之一是預(yù)測(cè)冠狀動(dòng)脈疾病，例如動(dòng)脈粥樣硬化，已知其由于生物力學(xué)和流體流動(dòng)因素（例如流速和壓力變化）而發(fā)生。CFD分析可以通過使用三維醫(yī)學(xué)圖像中的冠狀動(dòng)脈生成網(wǎng)格來執(zhí)行轉(zhuǎn)換成矢量格式。隨后可以應(yīng)用根據(jù)心動(dòng)周期的諸如速度和壓力信息的邊界條件。之后，可以選擇合適的粘度模型來模擬非牛頓流體，以求解流體流動(dòng)方程并獲得結(jié)果?？梢杂^察到流體流動(dòng)的壁剪切應(yīng)力，速度和壓力，以預(yù)測(cè)動(dòng)脈粥樣硬化的原因并確定最佳干預(yù)方法。

肺部氣流：

基于CFD的診斷系統(tǒng)幫助醫(yī)生評(píng)估患者的肺部狀態(tài)并改善預(yù)后和治療干預(yù)。已經(jīng)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模型并生成幾何的網(wǎng)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(yàn)的。

可以施加粘貼物理邊界條件的壁以復(fù)制氣管和原代支氣管中粘液層的作用。因此，可以模擬吸入過程并且可以看到諸如在呼吸期間吸入污染物顆粒的關(guān)鍵條件。這可以幫助醫(yī)生開發(fā)所需的醫(yī)療設(shè)備和治療。

人造器官設(shè)計(jì)：

CFD的使用也越來越多地用于評(píng)估人造器官的性能。其中一個(gè)示例應(yīng)用是預(yù)測(cè)假體心臟瓣膜的生理行為。數(shù)值模擬有助于識(shí)別關(guān)于破壞血細(xì)胞的流動(dòng)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(dòng)脈和瓣葉表面上的速度分量的無滑動(dòng)和無通量條件。流體 - 結(jié)構(gòu)相互作用技術(shù)的使用  也可用于模擬心動(dòng)周期期間的瓣膜行為并改善流動(dòng)的平滑性。

對(duì)于其他幾種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如聲道分析，脊髓液流動(dòng)，鼻竇流量，關(guān)節(jié)潤滑等，CFD的應(yīng)用一直在不斷擴(kuò)展。

除了生物醫(yī)學(xué)之外，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的使用也用于研發(fā)外科手術(shù)過程中所需的醫(yī)療裝置。隨著科技的發(fā)展，將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大CFD技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的使用范圍，并為拯救人類生命提供更多幫助。元王作為國內(nèi)CAE技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的佼佼者，期待與更多優(yōu)秀企業(yè)合作，為醫(yī)療行業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持。