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生物医学工程中的多物理场现象

作者:Simwe    来源:中仿科技    发布时间:2012-12-04    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

“传统的”工程课程是教授技术课程(如化学、电学、材料、系统控制)或者专业课程(航空学、军事学、计算机)的基础理论。相比之下,一些新兴的学科如生物医学工程就横跨几个学科。生物医学工程是研究最前沿进展的学科,已经和传统的学科一样成为独立学科。这些新兴学科的学生需要学生熟悉多个领域课程的基本原理。从在这个意义上说,生物医学工程就是一门跨多学科、涉及多物理场应用的学科。有创新精神的老师逐渐利用先进的工具,如COMSOL Multiphysics软件来帮助解决所有的问题,从初级课程的教授一直到博士后的研究工作。

 
 
图1 Richard Hart教授(中)正在和BoneHead实验室两名本科生成员Apu Borcar (左) 和Katie Nobes (右)探讨髋关节的模拟结果。
 
新奥尔良Tulane大学生物医学工程系主任Richard T. Hart博士就是一个典型的例子。他教授一年级的入门课程《生物医学工程设计原理》,这门课程旨在从各个角度向学生们介绍生物医学工程基础知识。作为课程的一部分,他要求学生们利用COMSOL Multiphysics来创建模型。此外,Hart博士的研究生和博士后们都在利用软件研究物理压力以及其他刺激对骨骼的影响。
 
图2 生物医学工程专业的新生们利用COMSOL Multiphysics创建的髋关节模型。
图中结果显示应力集中区域的位置,帮助预测了金属髋关节最容易出现故障的位置。
 
Hart博士一直在使用有限元软件设计和分析“人造髋关节”。一年级的学生正在按部就班的学习有限元软件的使用,从几何模型的创建到数据的后处理分析。Hart博士说:“我的同事们过去都对此持怀疑的态度,他们说新生用不了有限元分析方法,毕竟他们还没有学习静力学以及微分方程的相关课程。”然而Hart博士认为他的学生们在初期不必了解那些细节的东西。相反,他通过模拟的结果可以让他们对工程学科有个直观的了解,从而激发他们的兴趣,为他们在以后的学期中更深入的研究某些具体问题提供动力支持。事实上,他告诉把同事们的怀疑告知了他的学生们,并逐步的引导学生学习建模模拟,分析研究结果,提出更好的问题,用事实证明了他们怀疑的多余。有限元仿真成为了学生们第一年学习中最大的亮点。
 
应力对股骼的影响
 
Hart博士和他的研究生们一起利用COMSOL Multiphysics研究人体内产生骨质增生的主要因素,以及不同的刺激对骨骼的影响;他想通过模拟来预测骨骼的适应变化,并提出新的骨骼治疗方案。
 
“骨骼材料不是惰性的、麻木的,”他解释道,“骨骼是非常有活力的。”在运动刺激的影响下,骨骼的尺寸和组分都会发生改变。他继续说道,“对于一个专业的网球运动员来说,挥动球拍的主力手臂的骨头直径要比一般人大30%。还有我们都知道宇航员在失重状态下骨骼质量会减少。人体在每7~10年内骨骼会完成一次更新。大部分人骨骼的体积不会发生变化,但是我们都知道老年人体内会有骨骼的损失。科学家们现在还不知道那些刺激是影响骨骼生长过程的主要因素。奇怪的是几秒钟左右的负荷可能会对骨骼造成影响,而数周内持续的负荷却不会造成影响。”
 
影响骨骼尺寸改变的刺激包括负荷、激素水平、代谢健康状况等;其他的因素还包括骨骼移植手术,摄入药物或者处于缺少重力环境。由于骨骼的几何形状和材料特性,会导致骨骼中存在着应变作用。这个应变作用会激发造血细胞的活性(有利于骨骼生长)以及破骨细胞的活性(不利于骨骼生长)。因此负荷对骨骼质量的重建有不同效果,同时存在的两种作用会导致骨骼结构在一定程度上发生变化,如影响骨骼的尺寸和材料特性如杨氏模量,也会因此失去反馈作用。Hart博士说,关键在于搞清楚骨骼“传感器”运作机制,其中应变对骨骼再生和退化的影响机理。
 
图3 实验胫骨的初始形状和位移(左),适应模型的网格模拟了骨骼在横截面上增加(右)。
 
为了研究这个现象,Hart博士和博士后刘霞结合COMSOL Multiphysics建立了一个SimuLink模型。利用脚本迭代的生成了几何模型,通过建立了这些模型的有限元模型进行了应力分析。模型不断的更新骨骼的形状,反映了骨骼表面的重建和吸收过程。在每一次迭代中,都要重建了骨骼的几何形状,重新划分有限元网格。
 
 
图4 博士后刘霞和Rich Hart博士在讨论COMSOL-SimuLink胫骨适应模型
 
研究中他们使用了SimuLink建立反馈回路,并定义了回路中的各个参数,使用负载作为唯一的外部刺激。COMSOL Multiphysics中的应力模块承担了结构分析的角色。因为COMSOL Multiphysics能很容易的与SimuLink无缝链接,所以学生们不需要编写任何代码就可以很轻易的将两个软件链接起来。尽管现有模型还相对比较简单,研究小组成员很容易利用COMSOL Multiphysics增加模型的复杂程度,例如考虑细胞扩散和养分摄取等细节更好的研究骨骼对刺激的响应。
 
 
图5 结合Matlab和COMSOL Multiphysics的SimuLink模型,模拟骨骼对机械负载的自发适应过程其中包括非机械生长。
 
许多研究人员尝试寻找一个好的骨骼生长模型,研究骨骼形成与各种刺激信号之间内在的影响机制。对于Hart博士来说,最终目标是要找到骨骼“传感器”最敏感的信号。现在大部分研究人员认为是应变能量。Hart和他的博士生Michael Roberts模拟了多种可能信号对骨骼的影响,尝试找到现实中和骨骼生长关系最密切的信号。“出人意料的是,值相对较小的中主应变具有最高的相关性。我们现在不得不创建足够精确的实验模型验证这个初步结论。之后我们计划在模型中添加多个物理场,从多物理场的角度揭示动力载荷和物理效应包括考虑扩散以及细胞发送信号。从现象模拟推进到包括可观察的生物参数在内的机制模拟。这些下一代结果只有通过发挥COMSOL Multiphysics更高级的多物理能力才可能获得。对于我们来说,未来模拟结果将揭示的潜在机制是真正振奋人心的所在!”
 
COMSOL在中国,中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可,目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立,为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务,众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具,应用全球最先进制造技术,最终增强企业的核心竞争力,保证了企业持续发展。
 
COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件,主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块;现在已经有的模块有化工、声学、地球科学、低频电磁场、射频、传热、微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用,包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站:www.cntech.com.cn
 
关于COMSOL
 
COMSOL公司是1986年在瑞典斯德哥尔摩成立,现在已经在多个国家(比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国)成立分公司及办事处。详细信息请登陆www.comsol.com
 
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