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生物医学与多物理场仿真

已有 4983 次阅读 2010-6-2 14:11 |个人分类:未分类|系统分类:教学心得| 仿真, 多物理场, COMSOL, 生物医学, Multiphysics

对于生物医学与多物理场仿真的关系,可以用四点来说明:

 1、Innovation Ideas Verify 仿真的最大功用,在于将科研人员平时所思所想,在一个虚拟的时间里进行“重现”,特别是对于那些比较前沿的领域,而实验条件又难以得到满足之时,却可以在计算机中将它实现。例如,一个骨骼连接部位的受力分析,假设一个人50公斤的人从0.5米的高度跳下来,我们要分析此人骨骼受力和变形。在现实世界中,可能需要在人体上安置多个传感器,然后把传感器测得的数据进行分析,从而得到一个近似的结果。而在虚拟的世界里,只需对骨骼进行几何建模、材料属性定义、施加载荷并进行计算,一台普通PC机只需几分钟即可得到它的受力分布以及变形情况。

 

 骨骼连接部位的受力分布

2、Guide Experiment 对那些刚刚了解仿真的人来说,可能认为仿真什么都可以做,甚至可以代替实验。不过我想纠正这些人的想法。受限于目前计算机硬件和仿真软件本身,仿真实际上能实现的功能还是很有限的。如果你用软件计算出一颗药丸在血液中扩散的速度以及被吸收的速度,然后以此为依据制定病人时隔多久服用多少的药物,那么,这个想法就错误了。仿真应该是对实验进行一个前期的指导作用。在未进行试验之前,即知道实验结果的一个大体的趋势,然后以此来设计你的实验步骤及方法,然后再反馈回来进行计算模型的修正。即使那些接受过很多实验考证的计算模型,也无法得到100%的精度。

3、Multiphysics in Biomedical 在生物医学中,广泛存在着多物理场现象。例如,血管中血液的流动,存在两个物理场,首先是血液流动的描述,需要用到Navier-Stokes方程,而血液脉冲式的冲击血管,使得血管也发生脉动的变形,而血管的这个变形,则需要用到Strain-Stress方程来描述。需要注意的是,血管发生变形的时候,血液在里边流动的轨迹也会发生改变,而轨迹改变的结果是血液对血管的冲击力方向和大小也随之改变…如此反复,我们称之为耦合,血液和血管的交互作用,是一个很典型的流固耦合的例子。 血管在血液冲击下的变形

 4、The International Tendency 国人有一个习惯,就是什么东西都等国外做得很成熟很完善了,我们才跟风去学习人家,最后的结果就是不管是什么,我们都在“追赶”欧美。一台MRI机器,他Siemens为什么卖几百万?一台CT机,他GE为什么卖上千万?因为我们做不出来,或者说做得没人家的好。为什么呢?因为人家有先进的研发手段。仿真也是这样,国外几十年前就已经用来做前沿理论的验证和产品的开发,现在国内也慢慢开始这方面的侧重,但还是跟在人家好面跑。目前仿真的侧重点还在于单场,多物理场的概念则刚刚形成和发展,而仿真的未来则在于多物理场。我们起跑点即使不能在别人的前面,但至少不应该落后别人。

 对于生物医学通常考虑的问题,举几个常见的例子:

1、生物力学 有力的地方,就会有运动和变形,即应力应变。例如人的头部被撞击后,头盖骨的变形问题等。

2、血管心脏 考虑的是流固耦合,流体指的是血管和心脏中的血液,固体指的是血管和心脏本身。如果更深入的,例如心脏,还可以考虑心电现象,心脏的去极化扩张、复极收缩等等。如果还要考虑心肌细胞新陈代谢过程中生物放热过程,那么问题就变得复杂了。

 

 3、溶质扩散 用扩散方程描述溶质在体液中扩散或吸收的情况。溶质可以是散布在血液中的药物分子,也可以是人体组织中的肿瘤或者癌细胞等。

 

DNA分子扩散与监测

4、生物电子 电现象一般使用电磁方程藐视,即麦克斯韦电磁波方程。电磁波有低频和高频之分。普通人体内的生物电现象,属于低频电磁场,而如果考虑微波聚焦杀死癌细胞,则考虑的是高频电磁场。

 

心脏内部心电

5、图像处理 考虑的是数学方程,涉及到图像匹配和仿真模型的重建。即通过MRI、CT、MicroCT获得人体图像数据,直接转换为计算机仿真用的几何模型。

人体大脑MRI数据转换为仿真模型



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