有限元分析在医疗领域的利用

有限元分析在医疗领域的利用


伴随着人民物质生活的提高,生活节奏的加快,人民的健康问题显得越来越重要。在医疗领域中,有限元分析能利用在那些地方呢?目前主要用于两大方向,一是直接用于人体器官经脉的有限元分析;二是,医疗器械的有限元分析。


一、人体器官静脉分析

1. 心脑血管的有限元分析

心脑血管疾病是一系列涉及循环系统的疾病,主要由于血管的阻塞或者破裂等因素形成。血管的几何形态数据结合血管的力学特性参数可以某一器官的血液循环作一系列的血液流动分析。因此建立病变的血管和正常血管的几何结构模型,并进行生物力学分析对该类疾病的产生机体及临床上的治疗具有实际指导意义。最终通过有限元可以获得,血管中的血流流线分布与流速情况;血管壁的剪切应力分布;临床病情的预测以及其他生物力学特性数据。


2. 血管支架的有限元分析及优化设计

 心脑血管疾病是人类健康和生命的第一杀手。目前治疗一般采用微创介入器械治疗技术,血管支架在该技术中作为主要手术器械。血管支架技术用于血管狭窄治疗的有效性和安全性在临床上已取得认可,然而,为了更好的掌握手术机制,指导临床治疗,血管支架在工作中的应力、应变、结构形状设计、支架与血管的融合计算以及使用寿命预测一直是学者们的研究的热点。最终通过有限元分析获得,血管支架在工作中的应力、应变;优化设计后的血管支架结构参数;血管支架的使用寿命预测。


3. 呼吸系统有限元分析

支气管哮喘以气道结构改变和气道对收缩刺激因素的高反应性为病理特征,即气道重塑和气道高反应性。由于气管不断变化的直径、长度等等形态学变化,在正常与病理条件下,气道各级结构还会发生不均匀的收缩和扩张,从而导致气体中复杂的气体流动情况。因此建立各种气管的生物力学模型,模拟气道内气体流动、物质的传输以及支气管哮喘下气道重塑和收缩对下呼吸道气流变化的影响来探索哮喘发病机体,为今后临床治疗指导提供依据。


最终获得,支气管、肺气管、下呼吸道气管等三维有限元分析模型;气道收缩过程中气体流场在整个呼吸道中的分布情况以及气流对支气管、下呼吸道气管的压力变化分布。


4. 眼,耳有限元分析

在我国,听力患病率和发病率均较高。关于对外科手术和植入器械帮助患者恢复听力的研究也很多。然而,随着技术的进一步发展,需要对耳部器官的生物传声机制进行更深入的研究。通过建立外耳、中耳及内耳骨迷路的三维有限元数值模型,分析人耳声固耦合传声机制。


最终获得,人耳部结构的三维有限元分析模型;不同声压下鼓膜及镫骨底板振动位移;


5. 人工听骨传声特性的有限元分析

传导性耳聋是由于外耳或中耳的疾病致使外界声波传至内耳过程障碍,从而引起听觉减退的一类疾病。基于此临床上通过修补鼓膜和重建听骨链来恢复传导性耳聋患者的听力。局部置换人工听小骨是目前治疗的手段。为了获得更好的临床疗效需要对人工听小骨的材料选择、结构形状进行必要的研究。利用三维有限元技术将人工听小骨与正常听小骨生物力学行为进行对比分析是指导人工听小骨加工制造以及临床治疗的最佳方法。


最终获得,人工听小骨的结构优化设计后的结构参数;人工听骨与正常听骨的传声效果比较;不同声压下鼓膜及镫骨底板振动位移;


6. 眼眶种植体的有限元分析

随着社会迅速发展,由交通事故、运动损伤及意外伤害等原因造成颜面部外伤的发病率日益增高,其中,眼眶爆裂性骨折是当今社会非常多见的一类创伤性眼病。对于这类骨折的治疗种植体起到了至关重要的作用。分析种植体植入眼眶后其结构的生物力学特性对手术后期恢复治疗具有指导作用。


最终获得,眼眶及种植体组合结构的三维有限元模型;眼眶种植体及其周围组织的应力大小及分布情况。


7. 高压氧治疗对受损眼眶中视神经影响的三维有限元分析

眼内压的升高压迫了视神经,影响了轴浆的运输从而导致了视神经的萎缩。作为脑部损伤的有效治疗手段,高压氧舱治疗在临床上广泛应用。但在进行高压氧治疗时,眼眶受损患者的视神经是否会受到压迫值得研究。利用三维有限元仿真技术可以模拟高压氧治疗对受损眼眶中视神经的影响,为眼眶受损患者可否做高压氧治疗提供力学依据。


最终获得,包括视神经、眼眶、眼球、眶脂体和脑组织整体眼部三维有限元模型以及受损眼眶测的视神经的应力大小。


8. 眼睛近视治疗的有限元模拟

近年来,近视人员的数量越来越大,患者年龄也越来越年轻。近视患者已逐渐成为眼科病最主要的治疗对象。目前近视治疗主要采用角膜屈光手术。对于该技术中利用激光治疗会影响角膜周围的温度变化导致其应力变化,从而会影响手术效果以及术后并发症。因此从生物力学的角度研究眼睛近视治疗机体意义重大。


最终获得,各种近视治疗手术前后的角膜有限元模型;角膜在激光照射下的温度分布以及应力情况。



二、医疗器械分析

当今先进的手术和疑难疾病的治疗对医疗器械要求越来越高,医疗器械一直是医学领域关注的重点。将有限元计算技术应用到医疗器械的研发、指导各种医疗器械的结构改进,解决了以往实验不方便,不经济的弊端。目前医疗器械的有限元分析主要在口腔科、骨科以及心脑血管科等方面。


1. 口腔科医疗器械的有限元分析

口腔疾病对于人体的健康不可忽视,近年来在口腔疾病治疗技术上取得了重大突破主要得益于口腔医疗器械的设计和生产水平的提高。口腔种植中的种植钉、口腔修复中的牙冠、口腔正畸中的矫治弓丝、扩弓矫治器以及牙根管预备器械等等,这些器械的结构形状及材料选择设计不仅关系到器械本身的力学稳定性、抗破坏能力等力学性能,还关系到与相关组织的生物相容性等问题。因此对各口腔器械的结构形状的设计、材料的选取进行有限元分析很有必要。


最终可以获得,器械的结构形状参数尺寸;器械在工作中的受力情况;确定器械的材料选取。


2. 骨科医疗器械的有限元分析

骨的固定以及人工关节的设计与固定是有限元法在骨科生物力学中最常见的应用。在骨固定中常采用蝶形钢板、Z-plate和K-plate钢板等固定。这些钢板的强度和稳定性对手术是否成功及术后恢复效果如何具有决定性作用。人工关节(髋关节与膝关节)的设计必须考虑其工作中的受力情况和使用寿命。基于此,对骨科医学器械进行有限元分析校核,保证其工作中强度、刚度、稳定性等力学性能要求。


3. 心脑血管科医疗器械的有限元分析

心脑血管疾病是人类生命健康的一大杀手。目前心脑血管疾病主要采用血管支架植入血管,以达到支撑狭窄闭塞段血管,减少血管弹性回缩及再塑形,保持管腔血流通畅。而现行的支架较高的在狭窄率成为其进一步发展的最大障碍。因此对于血管支架进行结构优化设计,为提高支架在工作中的稳定性,使用寿命,保证术后不复发提供技术保证。

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本文转自微信公众号【FESIM有限元分析】


生物医学
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