口腔醫(yī)學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)精選(九篇)

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第1篇：口腔醫(yī)學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：有限元 醫(yī)學(xué) 仿真實(shí)驗(yàn)

Research of experimental of medical's Finite Element Analysis（FEA） simulation

Niu Xiaodong， Lu Lirong

Shanxi Changzhi medical college， Changzhi， 046000， China

Abstract： It will solve many complex problems if apply FEA to medical research， and these problems are difficult to solve but need to be solved in the physics of medical applications. So that it can provides theoretical guidance and scientific foundation for medical research and clinical treatment. Have the experimental course of medical’s FEA simulation， medical colleges have a very important significance for student’s study， teacher’s teaching and research， cooperation of college and affiliated hospitals.

Key words： FEA； medical； experimental of simulation

有限元分析是一種廣泛應(yīng)用于工程科學(xué)技術(shù)的數(shù)學(xué)物理方法，用于模擬并解決各種工程力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等物理場(chǎng)問(wèn)題。1956年Turner等人提出有限元（Finite Element，F(xiàn)E）的概念。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到越來(lái)越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)大多數(shù)設(shè)計(jì)制造已離不開(kāi)有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國(guó)防軍工、生物醫(yī)學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

1 醫(yī)學(xué)有限元國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

有限元方法最早應(yīng)用于骨科研究，開(kāi)始于脊柱生物力學(xué)[1]。幾十年來(lái)其在解決生物力學(xué)問(wèn)題上得到了廣泛應(yīng)用，尤其近年來(lái)，隨著數(shù)字及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有限元法本身已不再是相對(duì)獨(dú)立地研究生物力學(xué)性質(zhì)，它越來(lái)越多地與各種動(dòng)力學(xué)模型、參數(shù)優(yōu)化選擇、臨床放射學(xué)與實(shí)物測(cè)量、有機(jī)化學(xué)、組織學(xué)與免疫組化等方法巧妙結(jié)合，使結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，成為生物力學(xué)研究中的一種重要工具。有限元方法在醫(yī)學(xué)上的研究主要包括以下四個(gè)方面。

1.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立，直接影響有限元仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度、計(jì)算機(jī)計(jì)算過(guò)程、計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短，且模型建立的優(yōu)劣與建模人員的專業(yè)素質(zhì)和有限元知識(shí)分不開(kāi)?，F(xiàn)有研究的模型包括：人眼[2]、牙齒及矯正器[3]、脊柱[4]、顱腦骨骼[5]、胃[6]等人體骨骼及器官的三維有限元模型。

1.2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真

A.Pandolfi，F(xiàn).Manganiello對(duì)所建立的人眼角膜模型進(jìn)行了力學(xué)分析[7]。Tammy L HD等對(duì)建立的脛股關(guān)節(jié)三維有限元模型分析了骨骼變形對(duì)關(guān)節(jié)面接觸行為的影響以及約束關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)對(duì)接觸應(yīng)力的影響等[8]。

脊柱生物力學(xué)仿真是有限元法在生物力學(xué)中研究最早、分析最多、臨床上應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。杜東鵬等則對(duì)腰椎間盤(pán)膨隆的力學(xué)機(jī)制與腰椎疲勞骨折分別進(jìn)行了探討[9]。

頭顱及顳下關(guān)節(jié)也是有限元在生物力學(xué)中研究的重點(diǎn)。呂長(zhǎng)生等對(duì)建立的足部骨組織模型進(jìn)行有限元分析，為運(yùn)動(dòng)損傷或運(yùn)動(dòng)鞋的評(píng)價(jià)等提供了依據(jù)[10]。王芳等建立并驗(yàn)證中國(guó)人全頸椎有限元模型，用于揮鞭樣損傷分析[11]。米那瓦爾?阿不都熱依木采用有限元方法，對(duì)頜面外科手術(shù)術(shù)后的顏面軟組織形態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)[12]。

1.3 醫(yī)療器械的力學(xué)性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

牙科是有限元法在臨床應(yīng)用中的一大領(lǐng)域，相應(yīng)的各種牙科固定器材得以研制開(kāi)發(fā)，這些器材的力學(xué)性能又是研制過(guò)程中重點(diǎn)解決的問(wèn)題。蔡玉惠等研究了RPA卡環(huán)在游離端義齒應(yīng)用中支持組織的應(yīng)力分布狀況，對(duì)RPA卡環(huán)的臨床應(yīng)用具有力學(xué)上的指導(dǎo)作用[9]。

在內(nèi)固定鋼板方面，張美超等從臨床應(yīng)用出發(fā)，利用有限元法對(duì)頸前路蝶型鋼板進(jìn)行生物力學(xué)模擬分析，得到了與其一致的易斷裂部位預(yù)測(cè)[9]。

在人工關(guān)節(jié)方面，Heegaard JH等建立了髕骨的計(jì)算模型，并且模擬了在人工膝關(guān)節(jié)中去掉股骨假體對(duì)髕骨活動(dòng)的影響[13]。王永書(shū)等對(duì)患者胸腰椎爆裂性骨折節(jié)段（T12～L2）部位利用有限元進(jìn)行手術(shù)模擬，均與標(biāo)本模型及術(shù)后CT掃描基本相符[14]。

1.4 血流動(dòng)力學(xué)CFD應(yīng)用

Tarbell JM用FIDAP和Fluent軟件進(jìn)行了血管壁中組織液流動(dòng)的數(shù)值研究[15]。喬愛(ài)科等利用有限元分析方法得出冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)中對(duì)稱雙路搭橋比單路搭橋具有更合理的血流動(dòng)力學(xué)，可以避免動(dòng)脈粥樣硬化的危險(xiǎn)性血流動(dòng)力學(xué)因素，從而減少手術(shù)再狹窄的發(fā)生[16]。楊金有應(yīng)用CFD計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行人體主動(dòng)脈內(nèi)血流數(shù)值模擬分析，為闡明血管疾病的發(fā)病機(jī)理提供理論依據(jù)[17]。姚偉用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent計(jì)算人體小腿骨間膜組織間隙中蛋白質(zhì)非均勻分布情況下組織液流動(dòng)[18]。

2 醫(yī)學(xué)有限元仿真實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)上述醫(yī)學(xué)有限元研究可得醫(yī)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的方法主要分為四步：（1）通過(guò)螺旋CT技術(shù)，采集大量的樣本圖像。運(yùn)用現(xiàn)有醫(yī)用物理實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)對(duì)樣本圖像進(jìn)行建模處理，并進(jìn)行相關(guān)的有限元分析。（2）通過(guò)查閱相關(guān)國(guó)內(nèi)外資料，針對(duì)所需建立模型的生理、物理等參數(shù)特性，在幾種常用圖像處理軟件（Mimcs，Proe等）中選取較為合理準(zhǔn)確的有限元建模軟件。（3）在常用有限元分析軟件（ANSYS，F(xiàn)luent等）中選取較為合理準(zhǔn)確的軟件對(duì)模型進(jìn)行有限元分析。（4）將有限元分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析有限元模型的準(zhǔn)確性。

3 有限元法在醫(yī)學(xué)研究中的優(yōu)勢(shì)

有限元法在醫(yī)學(xué)研究中具有四個(gè)方面的突出優(yōu)勢(shì)：（1）可根據(jù)需要產(chǎn)生各種各樣的標(biāo)本，對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件仿真，模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種力學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以在不同實(shí)驗(yàn)條件下模擬任意部位變形、應(yīng)力/應(yīng)變分布、內(nèi)部能量變化、極限破壞分析等情況。（2）標(biāo)本也可以進(jìn)行修正以模擬任何病理狀態(tài)。同一個(gè)標(biāo)本在虛擬計(jì)算中可進(jìn)行無(wú)數(shù)次加載或組合而不會(huì)被損壞。（3）其結(jié)果不受實(shí)驗(yàn)條件的影響，也排除了實(shí)驗(yàn)條件造成的誤差，而且可以重復(fù)計(jì)算，節(jié)約成本。（4）利用有限元法進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、費(fèi)用少、可模擬復(fù)雜條件、力學(xué)性能測(cè)試全面及可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

4 醫(yī)學(xué)院校開(kāi)展醫(yī)學(xué)有限元仿真實(shí)驗(yàn)的意義

在醫(yī)學(xué)院校開(kāi)展醫(yī)學(xué)有限元仿真實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生將相關(guān)醫(yī)學(xué)、物理、生物等課程的知識(shí)綜合應(yīng)用于仿真實(shí)驗(yàn)中，給生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供更為廣闊的范圍，使研究具有更高的水平；激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和熱情，使學(xué)生在自主科研創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證、研究。同時(shí)，開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)要求教師不僅需要對(duì)本專業(yè)知識(shí)做到“了如指掌”，而且需要教師具有仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)的醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等非本專業(yè)學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，還要求教師必須掌握螺旋CT掃描技術(shù)，Mimics，ANSYS等建模、仿真軟件的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。這些知識(shí)對(duì)于教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研水平的提高具有十分重要而深遠(yuǎn)的意義。在開(kāi)展醫(yī)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建設(shè)醫(yī)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室，不僅可以為學(xué)生提供畢業(yè)實(shí)習(xí)條件，加強(qiáng)實(shí)習(xí)基地建設(shè)，而且與醫(yī)院相關(guān)科室進(jìn)行合作，可以在生物力學(xué)基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)手術(shù)中、長(zhǎng)期效果，對(duì)醫(yī)生手術(shù)具有較為科學(xué)的指導(dǎo)，加強(qiáng)了學(xué)校與醫(yī)院的合作。

5 結(jié)束語(yǔ)

建立醫(yī)學(xué)有限元實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：（1）醫(yī)用有限元模型快速準(zhǔn)確的建立。模型的快速準(zhǔn)確建立可以減少仿真實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間、降低費(fèi)用、增加仿真的準(zhǔn)確性和可信性。（2）建立通用的有限元模型庫(kù)，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此需要在具體實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中逐步探索和積累。

將工程有限元分析同醫(yī)學(xué)結(jié)合開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課，屬于多學(xué)科之間的交叉領(lǐng)域，不僅可以提高學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)與學(xué)習(xí)深造的競(jìng)爭(zhēng)力，而且可以加強(qiáng)多學(xué)科教師的教學(xué)和科研合作，提高教師的教學(xué)科研水平。同時(shí)提高相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的利用率，為學(xué)生自主開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)校和附屬醫(yī)院的教學(xué)科研合作，為醫(yī)學(xué)院校提供更為廣闊的教學(xué)和科學(xué)研究領(lǐng)域。

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