0 引言

随着计算机技术的快速发展，应用有限元方法的计算机建模仿真方法（数值计算方法）与理论分析方法、实验方法并称为科学研究的三大主要方法[1]。人体处于力学环境之中，人体各系统，如循环系统、运动系统、消化系统、呼吸系统和泌尿系统等生理活动均受力学因素影响。随着临床影像技术等生物医学技术的发展，基于有限元方法的计算机生物力学建模与仿真在人体发育、生长和疾病发病机制以及个体化防治中发挥越来越重要的作用，将生物医学基础研究与力学数值模拟的定量化研究有机结合，体现学科交叉，为医学研究及临床治疗提供理论指导和科学依据。在医学院校开设基于有限元分析的医学仿真实验课程，对医学生的学习、教师的教学科研、学校与医院的合作有重要的意义。

1 基于有限元技术的医学仿真实验的优势

有限元方法最早应用于骨科研究，开始于脊柱生物力学。几十年来其在解决生物力学问题上得到了广泛应用。医学有限元仿真实验是一个交叉研究领域，包含了生物力学、医学图像处理、临床解剖学、虚拟现实以及有限元技术的多种学科技术[2]。基于有限元法的医学仿真实验具有以下几个方面的优势：相较于现场实验，基于有限元方法的医学仿真实验可检测全场数据、能够实现理想条件的优势，现场实验数据精度受仪器、测量方法、测量环境影响较大[3]；利用有限元法进行的模拟实验具有实验时间短，费用少，可模拟复杂条件、力学性能全面，可重复性好。此外，可根据需要构建模型，对模型根据实验条件仿真，可在不同实验条件下模拟人体器官变形、应力/应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等。

有限元分析适用于生物医学材料、内科、胸外科、脑外科、妇科、儿科、眼科、神经科等临床研究与医疗器械设计，应用领域广。在医学院校开设医学有限元仿真实验教学，可以为临床、康复、生物医学工程等专业学生提供便捷的实验平台，尤其是为“医工结合”创造了桥梁。此外，在仿真实验的基础上，结合生物医学的理论研究，为临床科室的诊断、预测上提供科学的指导，促进医学院校与临床医院的教学结合。

2 医学有限元实验内容

医学有限元实验内容是基于医学院校的本科、研究生培养方案的指导下，结合相应的课程来建设。构建分层次、模块化、共享的模拟仿真体系。目前，医学有限元建模仿真实验主要集中在血管系统、肌骨系统、视觉系统等与力学因素密切相关的人体组织和器官，紧密联系临床问题，以临床病例（影像）为基础，应用流体力学和固体力学理论、系统生物信息与控制理论，结合先进的流场和应力场测试和医学影像技术、宏观与微观结合，动物实验与力学模型及数值模拟相结合，对相关组织进行建模与定量分析，从而建立精确规范的无创检测和分析技术，以及进行个体化治疗方案的生物力学设计。

2.1 血管系统建模与仿真系统

血管系统建模与仿真主要包括两大部分：血管系统的生物力学建模与仿真；局部血管及植介入器械的生物力学建模与仿真。血管系统建模与仿真模块的主要方法是借助于计算流体力学技术（computational fluid dynamics，CFD）的血流动力学数值模拟仿真，分析血液循环系统的血流动力学因素，评估、设计心血管植入/介入器械。动脉粥样硬化多发生在人体动脉特殊的位置，如冠状动脉、颈动脉分支、主动脉弓、肾动脉分支等。这些部位都伴有弯曲和分支，具有复杂的流体动力学问题，目前大量的实验研究和仿真研究集中在这些特殊的几何部位和特征部位[3-5]：

（1）介入治疗与外科手术仿真评价；

（2）瓣膜动力学仿真；

（3）动脉狭窄仿真；

（4）动脉瘤（腹主动脉瘤和脑动脉瘤）仿真；

（5）冠状动脉分支仿真；

（6）主动脉分支仿真：

（7）颈动脉分支仿真：

（8）人体主动脉仿真。

血流动力学仿真分析需要用到下列技术：

计算流体力学分析技术：控制流体运动的方程被称为纳维-斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程。这些方程是根据质量守恒、动量守恒及能量守恒推导出来的。

连续方程：式中，u、v、w为速度在三个坐标上的分量；

离散化技术：计算机仿真需要将物理流动域离散为网格形式的计算域。当前在使用中的离散化思想有：有限差分、有限体积、有限元法。