計算流體動力學（CFD：Computational Fluid Dynamics）是近代流體力學、數值數學和計算機科學結合的產物。它從計算方法出發，利用計算機快速的計算能力得到流體控制方程的近似解。隨著計算機軟硬件的迅猛發展，CFD被廣泛用于現在工程領域，特別是在制造領域，用以研究和優化設計流體流動的設備和系統的性能。然后隨著近年來掃描技術和計算機技術的進步，CFD仿真為生物醫學領域帶來了全新的機遇。

 

人體解剖學和人體流體行為的復雜性，使得CFD仿真技術成為醫學領域研究的重要工具。醫學研究人員通過先進設備得到人體血液、氣流等流體運作的詳細數值，從而研究并設計出更可靠的醫學治療和設備，用以改進優化人體的流體運作，幫助病人更快的恢復健康。元王作為國內CAE仿真應用解決方案的專家，通過專業的視角，為大家簡要介紹CFD仿真在生物醫學工程領域的的新興應用。

心血管系統

研究人員一直在應用CFD技術來預測人體內的血液循環，并越來越多地用于研究血管系統內的液體流動現象。預測這些系統中的血流循環提供了幾個好處，包括：降低術后并發癥，開發更好的外科手術和醫療設備，如血泵。

CFD的示例應用之一是預測冠狀動脈疾病，例如動脈粥樣硬化，已知其由于生物力學和流體流動因素（例如流速和壓力變化）而發生。CFD分析可以通過使用三維醫學圖像中的冠狀動脈生成網格來執行轉換成矢量格式。隨后可以應用根據心動周期的諸如速度和壓力信息的邊界條件。之后，可以選擇合適的粘度模型來模擬非牛頓流體，以求解流體流動方程并獲得結果。可以觀察到流體流動的壁剪切應力，速度和壓力，以預測動脈粥樣硬化的原因并確定最佳干預方法。

 

肺部氣流

基于CFD的診斷系統幫助醫生評估患者的肺部狀態并改善預后和治療干預。已經有大量研究使用CFD方法模擬肺部。該過程需要使用MRI和CT掃描獲得精確的CAD模型并生成幾何的網格模型。為了模擬仿真氣流過程，壓力和速度值等邊界條件是先驗的。 

可以施加粘貼物理邊界條件的壁以復制氣管和原代支氣管中粘液層的作用。因此，可以模擬吸入過程并且可以看到諸如在呼吸期間吸入污染物顆粒的關鍵條件。這可以幫助醫生開發所需的醫療設備和治療。

 

人造器官設計

CFD的使用也越來越多地用于評估人造器官的性能。其中一個示例應用是預測假體心臟瓣膜的生理行為。數值模擬有助于識別關于破壞血細胞的流動中高剪切速率位置的重要信息。這需要指定流入和流出的邊界條件以及剛性主動脈和瓣葉表面上的速度分量的無滑動和無通量條件。流體 - 結構相互作用技術的使用  也可用于模擬心動周期期間的瓣膜行為并改善流動的平滑性。

對于其他幾種生物醫學應用，例如聲道分析，脊髓液流動，鼻竇流量，關節潤滑等，CFD的應用一直在不斷擴展。

 

除了生物醫學之外，計算機輔助工程技術的使用也用于研發外科手術過程中所需的醫療裝置。隨著科技的發展，將會進一步擴大CFD技術在生物醫學領域的使用范圍，并為拯救人類生命提供更多幫助。元王作為國內CAE技術應用領域的佼佼者，期待與更多優秀企業合作，為醫療行業發展提供技術支持。