有限元方法自上世紀中期誕生以來,由于其通用性和有效性,在包括生物醫(yī)學(xué)工程在內(nèi)的工程領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和長足的發(fā)展。大型通用有限元應(yīng)用程序因其強大的功能、簡單的操作、可靠的結(jié)果和較高的效率,更使有限元方法成為生物醫(yī)學(xué)工程中強有力的工具。本文通過利用有限元方法分析人體小腿的二維傳熱模型,以及基于實際醫(yī)學(xué)影像的顱內(nèi)動脈瘤三維血液動力學(xué)模型,對有限元方法在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用進行具體的介紹。 本文首先對生物組織的主要傳熱方式、常用傳熱模型及熱物性參數(shù)測量方法進行了簡要介紹。隨后根據(jù)人體小腿的截面解剖圖建立了簡化的二維傳熱模型,將其劃分為骨骼層、內(nèi)部肌肉層、外部肌肉層及皮膚層等在熱量傳輸方面有重要區(qū)別的層次。我們計算并分析了血液灌注率、組織的代謝產(chǎn)熱率、環(huán)境溫度及空氣對流系數(shù)等因素對傳熱模型的影響。計算結(jié)果顯示,代謝產(chǎn)熱率和空氣對流系數(shù)對組織溫度分布的影響相對較小,而當(dāng)血液灌注率和環(huán)境溫度上升到一定程度時對組織溫度分布的影響也逐漸變小。我們還計算了幾種不考慮平行逆流血管對效應(yīng)的情況以考察其對組織溫度分布的影響,對比結(jié)果顯示平行逆流血管對在人體組織傳熱過程中有著重要的作用。 我們還從兩例顱內(nèi)動脈瘤患者的原始3DRA影像數(shù)據(jù)入手,對顱內(nèi)動脈瘤的幾何外形進行了精確的三維重建,以此建立了在血液為牛頓流體和血管壁為剛性壁的假設(shè)前提下的血液動力學(xué)模型。計算結(jié)果顯示,瘤頸處存在壁面切應(yīng)力最大點,這是由于血液對瘤頸處的動脈管壁造成強烈沖擊,瘤頸處的流場比較復(fù)雜,血流速度梯度相對較大的緣故。我們還發(fā)現(xiàn)盡管載瘤動脈壁面切應(yīng)力變化較大,動脈瘤本體內(nèi)壁面切應(yīng)力卻幾乎沒有變化,并且其數(shù)值也很小。瘤頸處的高壁面切應(yīng)力和瘤體內(nèi)部的低壁面切應(yīng)力正是促使動脈瘤形成、生長乃至破裂的重要因素。計算結(jié)果對臨床上診斷和治療顱內(nèi)動脈瘤也具有較大的參考價值和指導(dǎo)意義。 |
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