cfd计算机辅助技术,CFD仿真在生物医学领域拯救生命

CFD仿真在生物医学领域拯救生命

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2018-09-14 16:30:59

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计算流体动力学(CFD：Computational Fluid Dynamics)是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物。它从计算方法出发，利用计算机快速的计算能力得到流体控制方程的近似解。随着计算机软硬件的迅猛发展，CFD被广泛用于现在工程领域，特别是在制造领域，用以研究和优化设计流体流动的设备和系统的性能。然后随着近年来扫描技术和计算机技术的进步，CFD仿真为生物医学领域带来了全新的机遇。

人体解剖学和人体流体行为的复杂性，使得CFD仿真技术成为医学领域研究的重要工具。医学研究人员通过先进设备得到人体血液、气流等流体运作的详细数值，从而研究并设计出更可靠的医学治疗和设备，用以改进优化人体的流体运作，帮助病人更快的恢复健康。元王作为国内CAE仿真应用解决方案的专家，通过专业的视角，为大家简要介绍CFD仿真在生物医学工程领域的的新兴应用。

心血管系统：

研究人员一直在应用CFD技术来预测人体内的血液循环，并越来越多地用于研究血管系统内的液体流动现象。预测这些系统中的血流循环提供了几个好处，包括：降低术后并发症，开发更好的外科手术和医疗设备，如血泵。

CFD的示例应用之一是预测冠状动脉疾病，例如动脉粥样硬化，已知其由于生物力学和流体流动因素(例如流速和压力变化)而发生。CFD分析可以通过使用三维医学图像中的冠状动脉生成网格来执行转换成矢量格式。随后可以应用根据心动周期的诸如速度和压力信息的边界条件。之后，可以选择合适的粘度模型来模拟非牛顿流体，以求解流体流动方程并获得结果。可以观察到流体流动的壁剪切应力，速度和压力，以预测动脉粥样硬化的原因并确定最佳干预方法。

肺部气流：

基于CFD的诊断系统帮助医生评估患者的肺部状态并改善预后和治疗干预。已经有大量研究使用CFD方法模拟肺部。该过程需要使用MRI和CT扫描获得精确的CAD模型并生成几何的网格模型。为了模拟仿真气流过程，压力和速度值等边界条件是先验的。

可以施加粘贴物理边界条件的壁以复制气管和原代支气管中粘液层的作用。因此，可以模拟吸入过程并且可以看到诸如在呼吸期间吸入污染物颗粒的关键条件。这可以帮助医生开发所需的医疗设备和治疗。

人造器官设计：

CFD的使用也越来越多地用于评估人造器官的性能。其中一个示例应用是预测假体心脏瓣膜的生理行为。数值模拟有助于识别关于破坏血细胞的流动中高剪切速率位置的重要信息。这需要指定流入和流出的边界条件以及刚性主动脉和瓣叶表面上的速度分量的无滑动和无通量条件。流体 - 结构相互作用技术的使用也可用于模拟心动周期期间的瓣膜行为并改善流动的平滑性。

对于其他几种生物医学应用，例如声道分析，脊髓液流动，鼻窦流量，关节润滑等，CFD的应用一直在不断扩展。

除了生物医学之外，计算机辅助工程技术的使用也用于研发外科手术过程中所需的医疗装置。随着科技的发展，将会进一步扩大CFD技术在生物医学领域的使用范围，并为拯救人类生命提供更多帮助。元王作为国内CAE技术应用领域的佼佼者，期待与更多优秀企业合作，为医疗行业发展提供技术支持。

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