CFD仿真在生物醫學工程課程教學中的應用探索

楊戈爾　侯曉蓓　程洪濤　呂杰

摘要：本文針對生物醫學工程課程教學中的流體力學問題，提出將CFD仿真應用到教學中，并通過案例分析展示了這種輔助教學方法的優勢。學生不僅可以更為直觀地了解課程內容，理解抽象概念，還可以充分認識到在生物醫學工程領域中工程科學的重要性。

關鍵詞：CFD仿真；生物醫學工程；課程教學

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

生物醫學工程是一門多學科交叉的邊緣學科，涵蓋的知識面不僅包括生命科學和醫學研究，還涉及了大量工程領域的技術和方法。因此，在許多生物醫學工程課程學習過程中，需要以工科的思維方式去理解生物和醫學方面的專業知識，從而強化對生物醫學工程內涵的認同，提高理論學習和工程實踐的能力。

一、CFD仿真概述

CFD（Computational Fluid Dynamics），即計算流體力學，是流體力學與數值計算科學相結合的產物。CFD仿真則是在計算流體力學理論研究的基礎上，應用計算機模擬的方法獲得流體在特定條件下的近似流動信息，相關方法和技術已廣泛應用于能源動力、汽車、土木工程、航空航天等領域。CFD仿真通常是采用CFD軟件來進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。用戶可以根據實際流體流動特點、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仿真在生物醫學工程課程教學中的應用

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

三、教學案例分析

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學工程課程中都會提到這種重要的醫療器械。傳統教學過程中，學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行過程中的血流情況和關鍵的溶血凝血現象。

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

從教學案例可以看出，CFD仿真與生物醫學工程課程教學的結合，具有明顯優勢：

1.CFD仿真具有更為直觀的圖形顯示功能，將抽象的生物醫學概念形象化，使得學生更能有效地將理論結合實際，調動了學生學習知識的興趣。

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容或者儀器設備的原理有深入的認識。通過引導學生分析、討論甚至參與CFD仿真案例，可以提高學生的工科思維能力和解決實際問題的能力。

四、結束語

在生物醫學工程課程教學中引入CFD仿真技術，可以將與流動有關的醫學概念和醫學現象更為直觀、形象地展示出來，有效地提高了教學的質量。同時，通過CFD仿真輔助教學，可引導學生更多地從工科的角度去思考生物醫學問題，領會生物醫學工程的內涵。

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