生物医学工程研究方法.doc

有限单元法在生物力学中的应用有限单元法又称有限元素法（Finite Element Method， FEM）是计算力学中的一种重要的方法，它是20世纪50 年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学，是现代科学和工程计算方面最令人鼓舞的重大成就之一。有限元法最初应用在工程科学技术中，它是一种数学物理方法，用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。它作为一个具有理论基础和广泛应用效力的数值分析方法，可以求解过去用解析方法无法求解的问题，对于边界条件和结构形状都不规则的复杂问题，有限元方法是一种之有效的现代分析方法。现对近年来有关有限元法在生物力学中的应用研究进展综述如下。有限元法应用于生命科学的定量研究，已取得了较大成效。尤其在人体生物力学研究中，更显示了它的极大优越性。人类经过长期的劳动进化后，人体骨骼已形成了一个几乎完美的力学结构。然而在对人体力学结构进行力学研究时，力学实验几乎无法直接进行，这时用有限元数值模拟力学实验的方法恰成为一种有效手段。20世纪60 年代，在心血管系统的力学问题研究中，有限元法得到了初步应用。从70年代起，开始应用于骨科生物力学研究，最初应用于脊柱。6# 年代后，应用范围逐步扩展到颅面骨、颌骨、股骨〔1〕、牙齿〔2〕、关节〔3，4〕、颈椎〔5〕、腰椎〔6〕及其附属结构等生物力学研究中。[1]王以进，李永丰，戴克戎，等。人工关节置换中的股骨杆的应力分析。骨与关节损伤杂志。1993，8（1）：40。[2] 张春宝，马轩祥，张少峰，等。跟骨内种植体植入牙槽骨吸收的中切牙的有限元应力分析。实用口腔医学杂志，2003；（19）：103[3]张美超，赵卫东，原林，等。建立数字化虚拟中国男性一号膝关节的有限元模型。第一军医大学学报，2003，23（6）：527。[4] 桂鉴超，周强，顾湘杰，等。股骨质量对人工髋关节置换之影响的三维有限元分析。骨与关节损伤杂志，2000，15（3）：213。[5] 苏友新，许书亮，陈日奇，等。用枕不当与颈椎发病相关性的动态平面有限元分析。中国中医骨伤科杂志，1999，7（6）：9。[6]戴力杨，徐印坎，张文明，等。人体腰椎间盘的三维有限元分析。生物医学工程杂志，1991，8（3）：2371.1 改良及优化器械的设计利用有限元力学分析，可以改良医疗器械的力学性能以及优化器械的设计。医疗器械的力学性能的好坏往往决定了其临床应用效果如何，因此对器械力学性能的评价是比较重要的。除了实验方法外，利用有限元法对器械进行的模拟力学实验具有时间短、费用少、可处理复杂条件、力学性能测试全面及其重复性好等优点。另外，还可优化设计，指导对医疗器械的设计及改进，以获得更好的临床疗效。例如在固定钢板方面。跟骨骨折的治疗方法较多，目前对移位的跟骨关节内骨折一般采取钢板固定，然而固定钢板的形状不同，其固定效果也各不相同。刘立峰等〔7〕利用有限元法，对跟骨的冠状面骨折采用H型、Y型和T型钢板固定的效果进行了研究。建立三维有限元模型模拟跟骨关节内冠状面骨折，且分别采取这3种不同的钢板固定方法，通过对跟骨、螺钉与钢板的应力分布的研究分析可知T型钢板固定方式从应力角度来讲是最佳固定方式；从骨折位移角度来分析H型钢板最佳，但其对骨骼应力的分布的影响及其钢板螺钉本身应力分布方面都是3种方式中最差的。由于3种固定产生的骨折位移均属小位移，而应力分布却差异较大，因此T型钢板固定对于跟骨冠状面骨折来讲是最佳固定方式。由此可见，应用有限元法对不同钢板固定跟骨骨折进行比较检验是切实可行的，且对医疗器械的选用给予一定有益的信息。又如：随着牵张成骨技术的迅速发展，其在牙槽嵴萎缩、缺损治疗中的应用越来越广泛。通过骨牵张技术使牙槽嵴萎缩恢复到正常牙槽高度、宽度。虽然学者们通过动物实验进行了大量研究，但是动物模型与人类牙槽萎缩的真实情况仍有较明显的区别。仇敏等〔8〕所建立的三维下颌骨牙槽嵴萎缩有限元模型，能够较真实、准确的反映下颌骨牙槽嵴萎缩的生物力学特性。本研究采用相应典型病例取材，所建立缺牙区下颌骨模型，可较准确反映局部形态特征。通过在模型基础上按照给定条件，添加或替换单元，可以精确的分析牵张器与骨界面的应力分布情况。利用本模型的优点，通过有限元分析系统对牵张器的材质、形态、长度、植入位置及颌骨的受力特点进行分析，为牵张器的设计及个性化发挥了作用，提供理论依据，以利于进一步完善和发展骨牵张器技术。[7]刘立峰，蔡锦方，梁进。跟骨骨折固定方法的有限元模拟比较。中国矫形外科杂志，2003，11（8）：557。[8] 仇敏，何黎升。下颌骨牙槽嵴三维有限元模型与生物力学分析。中国临床康复，2003，7（2）：225。1.2 利用有限元模型进行力学仿真实验利用有限元软件的