楊戈爾 呂杰 丁皓 傅怡 劉楊 呂丹 郭世俊 彭安民

[摘 要] 文章針對生物力學(xué)課程中的血流動力學(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，通過結(jié)合實際案例，使得學(xué)生可以在理論學(xué)習(xí)的同時，直觀地接觸到實際醫(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] 楊戈爾（1983—），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，研究方向為生物傳熱學(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，研究方向為生物醫(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），研究方向為生物力學(xué)。

[中圖分類號] G642 ? ?[文獻標(biāo)識碼] A ? ? [文章編號] 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)原理和方法對生物體中的力學(xué)問題進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)胞組織到生物個體乃至群體的各個層次的生命運動，涵蓋了生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)、運動生物力學(xué)、生物流變學(xué)等多個學(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。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，對課程內(nèi)容做不同的選擇和側(cè)重，有的甚至?xí)a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），即計算流體力學(xué)，是流體力學(xué)與數(shù)值計算科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。CFD仿真在計算流體力學(xué)理論研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計算機模擬的方法獲得流體在特定條件下的近似流動信息，通常是采用CFD軟件來進行模型計算與流動分析[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大的生命力。在分析和解決實際醫(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)于流體運動的學(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)科又與實際醫(yī)學(xué)疾病緊密關(guān)聯(lián)，諸如動脈粥樣硬化、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)容的時候會遇到兩大難題：

1.流體運動是一個復(fù)雜的過程，大量的物理概念難于理解。流體計算大多與偏微分方程相關(guān)，求解困難，而且最終的流動結(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，是很難深入地感知這些物理概念和真實流動之間的關(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)表達式，而不能直觀地認(rèn)識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狀態(tài)的時候，學(xué)生只能定性地獲知血管彎曲分叉、湍流和動脈粥樣硬化之間是存在聯(lián)系的，但是定量地進行分析講解是傳統(tǒng)教學(xué)無法實現(xiàn)的。CFD仿真關(guān)心的只是流體運動問題，但將它的研究對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，如果CFD仿真的模型來源于真實的醫(yī)學(xué)影像資料，又可以進一步拉近學(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。以血液流動中常見的漩渦為例。在傳統(tǒng)教學(xué)中，通常只是強調(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，在教學(xué)過程中還可以形象地幫助學(xué)生深入地認(rèn)識層流和湍流的界限，而不只是理論教學(xué)中的絕對情況，從而認(rèn)識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之間存在聯(lián)系?；谡鎸嵉尼t(yī)學(xué)CT影像，通過CFD仿真可以獲得真實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生展示出主肺動脈血管壁的剪切應(yīng)力分布情況，如圖2（右）所示，進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。

參考文獻

[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]楊戈爾，侯曉蓓，程洪濤，等.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.計算流體動力學(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：機械工業(yè)出版社，2014.

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