CFD仿真在生物醫(yī)學(xué)工程課程教學(xué)中的應(yīng)用探索

楊戈爾　侯曉蓓　程洪濤　呂杰

摘要：本文針對生物醫(yī)學(xué)工程課程教學(xué)中的流體力學(xué)問題，提出將CFD仿真應(yīng)用到教學(xué)中，并通過案例分析展示了這種輔助教學(xué)方法的優(yōu)勢。學(xué)生不僅可以更為直觀地了解課程內(nèi)容，理解抽象概念，還可以充分認(rèn)識到在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中工程科學(xué)的重要性。

關(guān)鍵詞：CFD仿真；生物醫(yī)學(xué)工程；課程教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）30-0201-02

生物醫(yī)學(xué)工程是一門多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科，涵蓋的知識面不僅包括生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究，還涉及了大量工程領(lǐng)域的技術(shù)和方法。因此，在許多生物醫(yī)學(xué)工程課程學(xué)習(xí)過程中，需要以工科的思維方式去理解生物和醫(yī)學(xué)方面的專業(yè)知識，從而強(qiáng)化對生物醫(yī)學(xué)工程內(nèi)涵的認(rèn)同，提高理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐的能力。

一、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仿真則是在計算流體力學(xué)理論研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計算機(jī)模擬的方法獲得流體在特定條件下的近似流動信息，相關(guān)方法和技術(shù)已廣泛應(yīng)用于能源動力、汽車、土木工程、航空航天等領(lǐng)域。CFD仿真通常是采用CFD軟件來進(jìn)行模型計算與流動分析的。CFD軟件包括前處理模塊、求解器和后處理模塊三部分。目前，應(yīng)用較為廣泛的商用CFD軟件包括：ANSYS-CFX、ANSYS-Fluent、ADINA、COMSOL等。用戶可以根據(jù)實(shí)際流體流動特點(diǎn)、邊界條件處理、耦合情況等選擇適合的CFD軟件或求解器。

二、CFD仿真在生物醫(yī)學(xué)工程課程教學(xué)中的應(yīng)用

作為一門高度交叉的學(xué)科，生物醫(yī)學(xué)工程在知識融合程度方面是異常突出的。無論學(xué)科數(shù)量、范圍和層次都是大多數(shù)其他學(xué)科無法企及的。其中，工程科學(xué)在生物醫(yī)學(xué)工程這門學(xué)科中占有至關(guān)重要的地位。許多工程領(lǐng)域的技術(shù)和方法，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域隨處可見，包括電子學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程等，都與疾病預(yù)防、診斷和治療，以及康復(fù)服務(wù)等實(shí)現(xiàn)了完美結(jié)合。生物醫(yī)學(xué)工程課程也不只是局限于醫(yī)學(xué)和生物知識，而是涵蓋了大量的工程技術(shù)方法。因此，生物醫(yī)學(xué)工程的大多數(shù)課程本身也帶有高度的交叉色彩和濃厚的技術(shù)氣息。傳統(tǒng)的單學(xué)科（如純醫(yī)學(xué)、純生物）教學(xué)模式已無法滿足要求，需要借助其他手段展示課程內(nèi)容，幫助學(xué)生理解生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的技術(shù)和新興事物。其中，有許多內(nèi)容涉及流體力學(xué)方面的知識，包括血流醫(yī)學(xué)、物質(zhì)輸送，以及心血管方面的醫(yī)療器械等。傳統(tǒng)上，這部分知識要點(diǎn)都是通過一些血流、心臟的示意圖展示出人體內(nèi)部的物質(zhì)流動或者器械的運(yùn)行特征，并未深入地揭示流動的力學(xué)特性，使得學(xué)生對知識點(diǎn)的認(rèn)識是片面的。CFD仿真則可以在計算分析這些流體力學(xué)案例的同時，通過直觀的后處理結(jié)果呈現(xiàn)出流動與醫(yī)學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系。比如針對與血流醫(yī)學(xué)相關(guān)的課程，可基于醫(yī)學(xué)臨床影像資料，利用CFD仿真技術(shù)處理圖像區(qū)域，得到重建后的血管模型。通過CFD軟件分析三維血管模型，求解出近似真實(shí)體內(nèi)環(huán)境的血液流動情況。學(xué)生通過可視化結(jié)果，可以了解到不同條件下血流運(yùn)動的場景和軌跡，并初步評估血流特征，理解健康與非健康血流的特征區(qū)別。在與物質(zhì)（藥物、營養(yǎng)物質(zhì)等）輸送和醫(yī)療器械相關(guān)的課程教學(xué)中，同樣也可以采用類似的CFD仿真方法。

三、教學(xué)案例分析

以人工血泵為例。人工血泵是用來代替心臟工作的小型人造泵。在涉及人體替代裝置的生物醫(yī)學(xué)工程課程中都會提到這種重要的醫(yī)療器械。傳統(tǒng)教學(xué)過程中，學(xué)生只能看到常見的人工血泵外形圖或模型，如圖1所示，并不能了解血泵在運(yùn)行過程中的血流情況和關(guān)鍵的溶血凝血現(xiàn)象。

借助ANSYS-CFX軟件，即可得到血泵內(nèi)部的流動特征，并確定出現(xiàn)溶血凝血的關(guān)鍵區(qū)域（壁面剪切力大），如圖2所示。

從教學(xué)案例可以看出，CFD仿真與生物醫(yī)學(xué)工程課程教學(xué)的結(jié)合，具有明顯優(yōu)勢：

1.CFD仿真具有更為直觀的圖形顯示功能，將抽象的生物醫(yī)學(xué)概念形象化，使得學(xué)生更能有效地將理論結(jié)合實(shí)際，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)知識的興趣。

2.采用CFD仿真分析課程中的具體問題，需要對該部分的課程內(nèi)容或者儀器設(shè)備的原理有深入的認(rèn)識。通過引導(dǎo)學(xué)生分析、討論甚至參與CFD仿真案例，可以提高學(xué)生的工科思維能力和解決實(shí)際問題的能力。

四、結(jié)束語

在生物醫(yī)學(xué)工程課程教學(xué)中引入CFD仿真技術(shù)，可以將與流動有關(guān)的醫(yī)學(xué)概念和醫(yī)學(xué)現(xiàn)象更為直觀、形象地展示出來，有效地提高了教學(xué)的質(zhì)量。同時，通過CFD仿真輔助教學(xué)，可引導(dǎo)學(xué)生更多地從工科的角度去思考生物醫(yī)學(xué)問題，領(lǐng)會生物醫(yī)學(xué)工程的內(nèi)涵。

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