CFD仿真在生物力学课程教学中的应用探索

杨戈尔 吕杰 丁皓 傅怡 刘杨 吕丹 郭世俊 彭安民

[摘 要] 文章针对生物力学课程中的血流动力学和血液流变学等问题，提出引入CFD仿真技术作为辅助教学手段，将经典的、高质量的仿真结果提炼成学习案例并应用到相关教学中，以帮助学生深入理解生物力学概念和公式。同时，通过结合实际案例，使得学生可以在理论学习的同时，直观地接触到实际医学问题，了解疾病治疗方法和过程。

[关键词] 生物力学;CFD仿真;案例分析

[作者简介] 杨戈尔（1983—），男，福建莆田人，博士，上海健康医学院医疗器械学院讲师，研究方向为生物传热学;吕 杰（1986—），男，浙江舟山人，博士，上海健康医学院医疗器械学院副教授，研究方向为生物醫学工程;丁 皓（1964—），男，上海人，博士，上海健康医学院医疗器械学院教授（通信作者），研究方向为生物力学。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A     [文章编号] 1674-9324（2020）39-0167-02    [收稿日期] 2019-10-24

一、生物力学

生物力学（Biomechanics）是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支。它的兴起是以现代医学的需要和生物医学工程的发展为背景的[1]。生物力学本身的内涵是非常宽的，涉及从生物大分子、细胞、亚细胞组织到生物个体乃至群体的各个层次的生命运动，涵盖了生物流体力学、生物固体力学、运动生物力学、生物流变学等多个学科领域。由于生物力学本身的学科交叉性和知识综合性，生物力学的课程教学一直以来都呈现出多样性的特点。授课教师根据自己的学术背景和所在专业的学科要求，对课程内容做不同的选择和侧重，有的甚至会补充大量最新的前沿研究成果。因此在教授生物力学课程上，并没有形成相对统一的方法、手段。这为这门课程的教学创新提供了更多的可能性。

二、CFD仿真概述

CFD（Computational Fluid Dynamics），即计算流体力学，是流体力学与数值计算科学相结合的产物。CFD仿真在计算流体力学理论研究的基础上，应用计算机模拟的方法获得流体在特定条件下的近似流动信息，通常是采用CFD软件来进行模型计算与流动分析[2]。目前应用较为广泛的商用CFD软件包括ANSYS-CFX、ANSYS-Fluent、ADINA、COMSOL等。CFD仿真方法和技术已较早地应用于能源动力、汽车、土木工程、航空航天等领域[3-4]，在生物医学工程领域也越来越显示其强大的生命力。在分析和解决实际医学问题上，CFD仿真技术展现出了其技术的巨大优越性，大大节约了分析时间与成本。

三、CFD仿真在生物力学课程教学中的应用

血流动力学和血液流变学是生物力学的重要分支。它们都是有关于流体运动的学科，内容涉及大量的流体力学概念、定理和公式。此外，这些学科又与实际医学疾病紧密关联，诸如动脉粥样硬化、高血压、血液粘稠等心血管疾病，以及气管软化、药物传输、支架等其他问题[5]。以往传统的纯理论教学模式，在讲授这些生物力学内容的时候会遇到两大难题：

1.流体运动是一个复杂的过程，大量的物理概念难于理解。流体计算大多与偏微分方程相关，求解困难，而且最终的流动结果非常抽象。学生如果只是单纯地学习这些理论知识，是很难深入地感知这些物理概念和真实流动之间的关系。比如在学习平直刚性血管血流的过程中，学生只能求解血流速度分布的数学表达式，而不能直观地认识速度与边界层之间的关系[6]。

2.各类与血流有关的疾病，学生只能了解病因、宏观表现和常规治疗方法，而对这类疾病的血流情况缺少清晰的图像认知。比如在学习血管几何特征与流动状态的时候，学生只能定性地获知血管弯曲分叉、湍流和动脉粥样硬化之间是存在联系的，但是定量地进行分析讲解是传统教学无法实现的。CFD仿真关心的只是流体运动问题，但将它的研究对象着眼于上述这些具体案例，就可以很好地拓展CFD仿真在生物力学课程教学上的作用。通过直观的仿真后处理结果呈现出流动与医学现象的关系，可使得概念色彩化、分析形象化。同时，如果CFD仿真的模型来源于真实的医学影像资料，又可以进一步拉近学生与临床应用的距离。

四、教学案例分析

1.辅助概念理解。以血液流动中常见的漩涡为例。在传统教学中，通常只是强调雷诺数是区别层流与湍流的重要准则数（Re=2300），以及在哪些区域比较容易出现漩涡，但是真实的湍流和漩涡是无法展示出来的。而通过CFD仿真，可以形象地呈现出这类湍流问题。图1即经典的“卡门涡街”问题。

借助ANSYS-CFX软件，模拟产生了圆柱绕流情况下的漩涡，并可深入分析不同雷诺数条件下的涡街特征。同时，在教学过程中还可以形象地帮助学生深入地认识层流和湍流的界限，而不只是理论教学中的绝对情况，从而认识到层流和湍流在低雷诺数下也可以出现状态转换[7]。

2.结合实际案例。以小儿法洛四联症为例。在传统的生物力学课程讲授中，只能简单地说明一些常见的心血管疾病与非正常的血液流动之间存在联系。基于真实的医学CT影像，通过CFD仿真可以获得真实病例中血液流速分布情况，如图2（左）所示。此外，还可以向学生展示出主肺动脉血管壁的剪切应力分布情况，如图2（右）所示，进而深入地讨论非正常剪切应力与法洛四联症之间的关系，使得学生能对这类医学领域的生物力学问题产生更好的共鸣。

五、结束语

在生物力学课程教学中探索性地引入CFD仿真技术，可以有效地提高教学质量，辅助学生理解生物力学中有关流动的概念，形象地展示出相关医学疾病和现象，引导学生从不同的角度更深入地思考生物力学问题，全面地掌握生物力学知识。

参考文献

[1]陶祖莱.生物力学导论[M].天津：天津科技翻译出版社，1999.

[2]杨戈尔，侯晓蓓，程洪涛，等.CFD仿真在生物医学工程课程教学中的应用探索[J].教育教学论坛，2018（26）.

[3]王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4]安德森.计算流体力学入门[M].北京：清华大学出版社，2010.

[5]陈君楷.心血管血流动力学[M].成都：四川教育出版社，1990.

[6]钱德兰.生物流体力学[M].北京：机械工业出版社，2014.

[7]齐杏林，单体强，范志锋，等.ANSYS有限元仿真在机械电子学课程教学中的应用[J].科教导刊，2016（7）.