CFD仿真在生物力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用探索

楊戈?duì)? 呂杰 丁皓 傅怡 劉楊 呂丹 郭世俊 彭安民

[摘 要] 文章針對(duì)生物力學(xué)課程中的血流動(dòng)力學(xué)和血液流變學(xué)等問題，提出引入CFD仿真技術(shù)作為輔助教學(xué)手段，將經(jīng)典的、高質(zhì)量的仿真結(jié)果提煉成學(xué)習(xí)案例并應(yīng)用到相關(guān)教學(xué)中，以幫助學(xué)生深入理解生物力學(xué)概念和公式。同時(shí)，通過結(jié)合實(shí)際案例，使得學(xué)生可以在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，直觀地接觸到實(shí)際醫(yī)學(xué)問題，了解疾病治療方法和過程。

[關(guān)鍵詞] 生物力學(xué);CFD仿真;案例分析

[作者簡介] 楊戈?duì)枺?983—），男，福建莆田人，博士，上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院講師，研究方向?yàn)樯飩鳠釋W(xué);呂 杰（1986—），男，浙江舟山人，博士，上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院副教授，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程;丁 皓（1964—），男，上海人，博士，上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院教授（通信作者），研究方向?yàn)樯锪W(xué)。

[中圖分類號(hào)] G642 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）39-0167-02 ? ?[收稿日期] 2019-10-24

一、生物力學(xué)

生物力學(xué)（Biomechanics）是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對(duì)生物體中的力學(xué)問題進(jìn)行定量研究的生物物理學(xué)分支。它的興起是以現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的需要和生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展為背景的[1]。生物力學(xué)本身的內(nèi)涵是非常寬的，涉及從生物大分子、細(xì)胞、亞細(xì)胞組織到生物個(gè)體乃至群體的各個(gè)層次的生命運(yùn)動(dòng)，涵蓋了生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、生物流變學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。由于生物力學(xué)本身的學(xué)科交叉性和知識(shí)綜合性，生物力學(xué)的課程教學(xué)一直以來都呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)。授課教師根據(jù)自己的學(xué)術(shù)背景和所在專業(yè)的學(xué)科要求，對(duì)課程內(nèi)容做不同的選擇和側(cè)重，有的甚至?xí)a(bǔ)充大量最新的前沿研究成果。因此在教授生物力學(xué)課程上，并沒有形成相對(duì)統(tǒng)一的方法、手段。這為這門課程的教學(xué)創(chuàng)新提供了更多的可能性。

二、CFD仿真概述

CFD（Computational Fluid Dynamics），即計(jì)算流體力學(xué)，是流體力學(xué)與數(shù)值計(jì)算科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。CFD仿真在計(jì)算流體力學(xué)理論研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬的方法獲得流體在特定條件下的近似流動(dòng)信息，通常是采用CFD軟件來進(jìn)行模型計(jì)算與流動(dòng)分析[2]。目前應(yīng)用較為廣泛的商用CFD軟件包括ANSYS-CFX、ANSYS-Fluent、ADINA、COMSOL等。CFD仿真方法和技術(shù)已較早地應(yīng)用于能源動(dòng)力、汽車、土木工程、航空航天等領(lǐng)域[3-4]，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域也越來越顯示其強(qiáng)大的生命力。在分析和解決實(shí)際醫(yī)學(xué)問題上，CFD仿真技術(shù)展現(xiàn)出了其技術(shù)的巨大優(yōu)越性，大大節(jié)約了分析時(shí)間與成本。

三、CFD仿真在生物力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

血流動(dòng)力學(xué)和血液流變學(xué)是生物力學(xué)的重要分支。它們都是有關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的學(xué)科，內(nèi)容涉及大量的流體力學(xué)概念、定理和公式。此外，這些學(xué)科又與實(shí)際醫(yī)學(xué)疾病緊密關(guān)聯(lián)，諸如動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓、血液粘稠等心血管疾病，以及氣管軟化、藥物傳輸、支架等其他問題[5]。以往傳統(tǒng)的純理論教學(xué)模式，在講授這些生物力學(xué)內(nèi)容的時(shí)候會(huì)遇到兩大難題：

1.流體運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，大量的物理概念難于理解。流體計(jì)算大多與偏微分方程相關(guān)，求解困難，而且最終的流動(dòng)結(jié)果非常抽象。學(xué)生如果只是單純地學(xué)習(xí)這些理論知識(shí)，是很難深入地感知這些物理概念和真實(shí)流動(dòng)之間的關(guān)系。比如在學(xué)習(xí)平直剛性血管血流的過程中，學(xué)生只能求解血流速度分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而不能直觀地認(rèn)識(shí)速度與邊界層之間的關(guān)系[6]。

2.各類與血流有關(guān)的疾病，學(xué)生只能了解病因、宏觀表現(xiàn)和常規(guī)治療方法，而對(duì)這類疾病的血流情況缺少清晰的圖像認(rèn)知。比如在學(xué)習(xí)血管幾何特征與流動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候，學(xué)生只能定性地獲知血管彎曲分叉、湍流和動(dòng)脈粥樣硬化之間是存在聯(lián)系的，但是定量地進(jìn)行分析講解是傳統(tǒng)教學(xué)無法實(shí)現(xiàn)的。CFD仿真關(guān)心的只是流體運(yùn)動(dòng)問題，但將它的研究對(duì)象著眼于上述這些具體案例，就可以很好地拓展CFD仿真在生物力學(xué)課程教學(xué)上的作用。通過直觀的仿真后處理結(jié)果呈現(xiàn)出流動(dòng)與醫(yī)學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系，可使得概念色彩化、分析形象化。同時(shí)，如果CFD仿真的模型來源于真實(shí)的醫(yī)學(xué)影像資料，又可以進(jìn)一步拉近學(xué)生與臨床應(yīng)用的距離。

四、教學(xué)案例分析

1.輔助概念理解。以血液流動(dòng)中常見的漩渦為例。在傳統(tǒng)教學(xué)中，通常只是強(qiáng)調(diào)雷諾數(shù)是區(qū)別層流與湍流的重要準(zhǔn)則數(shù)（Re=2300），以及在哪些區(qū)域比較容易出現(xiàn)漩渦，但是真實(shí)的湍流和漩渦是無法展示出來的。而通過CFD仿真，可以形象地呈現(xiàn)出這類湍流問題。圖1即經(jīng)典的“卡門渦街”問題。

借助ANSYS-CFX軟件，模擬產(chǎn)生了圓柱繞流情況下的漩渦，并可深入分析不同雷諾數(shù)條件下的渦街特征。同時(shí)，在教學(xué)過程中還可以形象地幫助學(xué)生深入地認(rèn)識(shí)層流和湍流的界限，而不只是理論教學(xué)中的絕對(duì)情況，從而認(rèn)識(shí)到層流和湍流在低雷諾數(shù)下也可以出現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換[7]。

2.結(jié)合實(shí)際案例。以小兒法洛四聯(lián)癥為例。在傳統(tǒng)的生物力學(xué)課程講授中，只能簡單地說明一些常見的心血管疾病與非正常的血液流動(dòng)之間存在聯(lián)系?；谡鎸?shí)的醫(yī)學(xué)CT影像，通過CFD仿真可以獲得真實(shí)病例中血液流速分布情況，如圖2（左）所示。此外，還可以向?qū)W生展示出主肺動(dòng)脈血管壁的剪切應(yīng)力分布情況，如圖2（右）所示，進(jìn)而深入地討論非正常剪切應(yīng)力與法洛四聯(lián)癥之間的關(guān)系，使得學(xué)生能對(duì)這類醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物力學(xué)問題產(chǎn)生更好的共鳴。

五、結(jié)束語

在生物力學(xué)課程教學(xué)中探索性地引入CFD仿真技術(shù)，可以有效地提高教學(xué)質(zhì)量，輔助學(xué)生理解生物力學(xué)中有關(guān)流動(dòng)的概念，形象地展示出相關(guān)醫(yī)學(xué)疾病和現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度更深入地思考生物力學(xué)問題，全面地掌握生物力學(xué)知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]陶祖萊.生物力學(xué)導(dǎo)論[M].天津：天津科技翻譯出版社，1999.

[2]楊戈?duì)枺顣暂?，程洪濤，?CFD仿真在生物醫(yī)學(xué)工程課程教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].教育教學(xué)論壇，2018（26）.

[3]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]安德森.計(jì)算流體力學(xué)入門[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[5]陳君楷.心血管血流動(dòng)力學(xué)[M].成都：四川教育出版社，1990.

[6]錢德蘭.生物流體力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[7]齊杏林，單體強(qiáng)，范志鋒，等.ANSYS有限元仿真在機(jī)械電子學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].科教導(dǎo)刊，2016（7）.