CFD仿真在生物力學課程教學中的應用探索

楊戈爾 呂杰 丁皓 傅怡 劉楊 呂丹 郭世俊 彭安民

[摘 要] 文章針對生物力學課程中的血流動力學和血液流變學等問題，提出引入CFD仿真技術作為輔助教學手段，將經典的、高質量的仿真結果提煉成學習案例并應用到相關教學中，以幫助學生深入理解生物力學概念和公式。同時，通過結合實際案例，使得學生可以在理論學習的同時，直觀地接觸到實際醫學問題，了解疾病治療方法和過程。

[關鍵詞] 生物力學;CFD仿真;案例分析

[作者簡介] 楊戈爾（1983—），男，福建莆田人，博士，上海健康醫學院醫療器械學院講師，研究方向為生物傳熱學;呂 杰（1986—），男，浙江舟山人，博士，上海健康醫學院醫療器械學院副教授，研究方向為生物醫學工程;丁 皓（1964—），男，上海人，博士，上海健康醫學院醫療器械學院教授（通信作者），研究方向為生物力學。

[中圖分類號] G642 ? ?[文獻標識碼] A ? ? [文章編號] 1674-9324（2020）39-0167-02 ? ?[收稿日期] 2019-10-24

一、生物力學

生物力學（Biomechanics）是應用力學原理和方法對生物體中的力學問題進行定量研究的生物物理學分支。它的興起是以現代醫學的需要和生物醫學工程的發展為背景的[1]。生物力學本身的內涵是非常寬的，涉及從生物大分子、細胞、亞細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、生物固體力學、運動生物力學、生物流變學等多個學科領域。由于生物力學本身的學科交叉性和知識綜合性，生物力學的課程教學一直以來都呈現出多樣性的特點。授課教師根據自己的學術背景和所在專業的學科要求，對課程內容做不同的選擇和側重，有的甚至會補充大量最新的前沿研究成果。因此在教授生物力學課程上，并沒有形成相對統一的方法、手段。這為這門課程的教學創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，是流體力學與數值計算科學相結合的產物。CFD仿真在計算流體力學理論研究的基礎上，應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仿真方法和技術已較早地應用于能源動力、汽車、土木工程、航空航天等領域[3-4]，在生物醫學工程領域也越來越顯示其強大的生命力。在分析和解決實際醫學問題上，CFD仿真技術展現出了其技術的巨大優越性，大大節約了分析時間與成本。

三、CFD仿真在生物力學課程教學中的應用

血流動力學和血液流變學是生物力學的重要分支。它們都是有關于流體運動的學科，內容涉及大量的流體力學概念、定理和公式。此外，這些學科又與實際醫學疾病緊密關聯，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]。以往傳統的純理論教學模式，在講授這些生物力學內容的時候會遇到兩大難題：

1.流體運動是一個復雜的過程，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，求解困難，而且最終的流動結果非常抽象。學生如果只是單純地學習這些理論知識，是很難深入地感知這些物理概念和真實流動之間的關系。比如在學習平直剛性血管血流的過程中，學生只能求解血流速度分布的數學表達式，而不能直觀地認識速度與邊界層之間的關系[6]。

2.各類與血流有關的疾病，學生只能了解病因、宏觀表現和常規治療方法，而對這類疾病的血流情況缺少清晰的圖像認知。比如在學習血管幾何特征與流動狀態的時候，學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系的，但是定量地進行分析講解是傳統教學無法實現的。CFD仿真關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仿真在生物力學課程教學上的作用。通過直觀的仿真后處理結果呈現出流動與醫學現象的關系，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學影像資料，又可以進一步拉近學生與臨床應用的距離。

四、教學案例分析

1.輔助概念理解。以血液流動中常見的漩渦為例。在傳統教學中，通常只是強調雷諾數是區別層流與湍流的重要準則數（Re=2300），以及在哪些區域比較容易出現漩渦，但是真實的湍流和漩渦是無法展示出來的。而通過CFD仿真，可以形象地呈現出這類湍流問題。圖1即經典的“卡門渦街”問題。

借助ANSYS-CFX軟件，模擬產生了圓柱繞流情況下的漩渦，并可深入分析不同雷諾數條件下的渦街特征。同時，在教學過程中還可以形象地幫助學生深入地認識層流和湍流的界限，而不只是理論教學中的絕對情況，從而認識到層流和湍流在低雷諾數下也可以出現狀態轉換[7]。

2.結合實際案例。以小兒法洛四聯癥為例。在傳統的生物力學課程講授中，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系。基于真實的醫學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，還可以向學生展示出主肺動脈血管壁的剪切應力分布情況，如圖2（右）所示，進而深入地討論非正常剪切應力與法洛四聯癥之間的關系，使得學生能對這類醫學領域的生物力學問題產生更好的共鳴。

五、結束語

在生物力學課程教學中探索性地引入CFD仿真技術，可以有效地提高教學質量，輔助學生理解生物力學中有關流動的概念，形象地展示出相關醫學疾病和現象，引導學生從不同的角度更深入地思考生物力學問題，全面地掌握生物力學知識。

參考文獻

[1]陶祖萊.生物力學導論[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仿真在生物醫學工程課程教學中的應用探索[J].教育教學論壇，2018（26）.

[3]王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]安德森.計算流體力學入門[M].北京：清華大學出版社，2010.

[5]陳君楷.心血管血流動力學[M].成都：四川教育出版社，1990.

[6]錢德蘭.生物流體力學[M].北京：機械工業出版社，2014.

[7]齊杏林，單體強，范志鋒，等.ANSYS有限元仿真在機械電子學課程教學中的應用[J].科教導刊，2016（7）.