Skip to Main Content
免费试用

      

Ansys博客

April 5, 2024

学术聚焦：通过仿真探索医疗解决方案

从了解背负沉重背包所承受的压力到分析动脉斑块，世界各地的学生正在通过一次次的仿真探索创新的医疗解决方案。

通过从Ansys高校计划访问Ansys仿真工具，学生可以利用多物理场建模来推进他们的研究，从而有机会助力推动医疗行业的发展。该计划为高校提供了价格极为优惠的软件，用于课堂教学和研究，同时为学生提供了免费下载软件和其他在线自学资源。此外，学生还可以通过Ansys创新空间（Ansys Innovation Space）访问400多门免费的Ansys创新课程，以及面向学术界的其他开放式学习材料。目前，该计划覆盖82个国家/地区的2,900多所高校，提供的软件和资源涵盖广泛的工程学科，包括结构、流体和电磁学。

我们来探讨一下学生和教育工作者如何通过Ansys仿真技术，解锁医疗行业新的可能性。

FEA在肌肉骨骼健康中的应用

高中生Anish Sarkar在他的项目“重载荷对人体背骨的影响”中使用了Ansys Mechanical有限元分析（FEA）仿真。他的研究结果指出了最安全的背包佩戴方式，以最合理地维护肌肉骨骼健康，该成果还让他在2022年加利福尼亚金门STEM博览会上获得了第二名的好成绩。该地区博览会鼓励当地6至12年级的科学、技术、工程和数学（STEM）学生参加。

Sarkar在仿真中使用了三个模型：一是使用Ansys SpaceClaim创建的基本脊柱和肋骨模型，另外两个是他在网上找到的人体骨架模型和人体肌肉模型。在使用SpaceClaim修改在线模型后，他在Mechanical中为每个模型生成了网格。接下来，他添加了压力点，以显示背包的压力和重量在每个场景中的作用位置。此外，他还使用Ansys Granta MI Enterprise设置有机材料属性。

Sarkar确定，最健康的背包佩戴方式是将肩带放置在双肩上，并且不要向下拉或收紧肩带。这样可以确保背包的压力和重量松散地落在下背部，而不是上背部或中背部。

次年，Sarkar转而关注截肢者，旨在改进退伍军人的假肢设计。他使用SpaceClaim和Mechanical来制作假肢接受腔模型，并在整个步态周期中对残肢与假肢接受腔之间的应力、应变和载荷分布进行综合全面的分析。

Sarkar基于软件的设计方法和分析被证明能够更高效地为每位患者定制接受腔，而且与传统接受腔层压技术相比，耗时和所需的物理资源更少。他也将这个项目提交给了金门科学博览会，并获得了勒梅尔森青年发明家奖（Lemelson Young Inventor）和雪佛龙特别奖（Chevron Special）。

Mechanical spine and pressure point stress

高中学生Anish Sarkar在他的项目“重载荷对人体背骨的影响”中，使用Ansys Mechanical分析脊柱沿线的应力和压力点。

利用CFD促进血管和呼吸系统健康

参加EnQuest计划的女高中生使用Ansys Fluent计算流体力学（CFD）软件，探索了涉及动脉血流和动脉瘤的真实患者案例研究。EnQuest由威斯康星大学密尔沃基分校（UWM）主办，是众多关注女性发展的计划之一，旨在缩小工程行业中的性别差距。

在2022年的一次高校夏季项目中，学生们有机会参与了现实世界的研究，而这要归功于他们的课程负责人Mahsa Davagh，她是UWM生物医学工程助理教授，研究重点是癌症和血管疾病。

学生小组帮助她分析了有关动脉血流和动脉瘤检测的患者案例研究。基于特定患者的图像，该团队构建了大型脑血管动脉的3D几何结构，其中大部分动脉都包含动脉瘤。利用Fluent，团队检查了动脉瘤内血液分布与更容易破裂的动脉瘤区域之间的相关性。

Dabagh表示：“与其他软件相比，Ansys的用户友好性和准确性更高，而且它提供了更多的选项，例如后处理可视化。我希望学生尽可能多地学习，而不会在学习如何选择边界条件或如何进行后处理方面遇到阻碍，Ansys提供了用户友好型界面和可靠的结果，对学生来说更容易轻松掌握。其具有很高的可靠性，并且可以轻松导入不同的文件。这些都是Ansys的独特之处。”

Wall shear stress within artery

EnQuest的学生使用Ansys Fluent进行动脉瘤在动脉内的壁面剪切应力仿真。

Enquest students

EnQuest计划中，学生帮助威斯康星大学密尔沃基分校的生物医学工程助理教授Mahsa Davagh开展了真实血管研究。

在将CFD应用于血管研究的另一个示例中，Chris Zhou高中时期使用SpaceClaim和Fluent对颈动脉中的血流进行了建模和分析。他的高三AP毕业设计项目主题为“颈动脉分叉的CFD分析”，该项目获得了满分，而当时全球只有1%的学生实现了这一里程碑。

Zhou在SpaceClaim中准备好了模型，创建了几何结构、网格和边界条件。他使用Fluent分析血流特征，包括健康流动的动脉与正在形成阻塞的动脉之间的相关性。

AP capstone

Chris Zhou展示了他的高三AP毕业设计项目“颈动脉分叉的CFD分析”。

俄克拉荷马州立大学（OSU）的几名学生也使用Fluent来研究动脉血流，这要感谢化学工程副教授Yu Feng。Feng将Fluent纳入到部分本科生和研究生课程中，以完成研究项目，包括手臂动脉瞬时血流的检查，通过3D眼球模型进行局部眼部给药，以及携带病毒的液滴在数字孪生人体呼吸系统之间的空气传播。

此外，Feng还将其他Ansys工具纳入到了课程中，包括：

  • 用于固体力学仿真和流固耦合的Mechanical。
  • 用于CFD仿真的Ansys CFX，其可作为Fluent的替代方案。
  • 用于仿真数据后处理和可视化的Ansys EnSight。
  • 用于快速工程仿真和分析的Ansys Discovery。
  • 用于流固耦合和仿真批处理，以及降阶模型（ROM）训练和测试的Ansys Workbench。
  • 用于颗粒间相互作用仿真的Ansys Rocky。

Feng表示：“这些掌握了Ansys Fluent和CFX的化学工程专业学生在完成本科教育后，已在其职业生涯中取得了显著的成功。他们熟练地运用了从我的多相流课程中获得的知识，他们的成功可归因于对Ansys软件的熟练掌握，包括Fluent、CFX、Mechanical和Rocky等。”

Artery simulation

Ansys仿真以及俄克拉荷马州立大学（OSU）计算生物流体学和生物力学实验室（CBBL）开发的虚拟人体模型，展示了肺气溶胶动力学、手臂动脉血液动力学和局部眼部给药优化的研究示例。

课堂之外的学习

在课堂之外，Feng为俄克拉荷马州的K-12学生、本科生和当地社区开展了多项外联活动，以利用Ansys软件促进新一代STEM的发展。主要活动包括由俄克拉荷马州立大学校友会（OSU Alumni Association）主办的Lungevity计划，以及由OSU工程、建筑与技术学院（CEAT）组织的“Summer Bridge”计划。

除了参与外联活动，Feng的学生还可以使用现场研究实验室，该实验室拥有最先进的模型和设备。通过Ansys、工程仿真与科学软件（ESSS）以及OSU计算生物流体学和生物力学实验室（CBBL）之间的学术合作，Feng和同行开发了基于CFD离散元法（DEM）的人体呼吸系统建模框架，其中包括经过临床验证的弹性全肺模型。

Thierry et al

2017年，Ansys医疗解决方案行业总监Thierry Marchal（右二）在CBBL拜访了OSU化学工程副教授Yu Feng（右一）和过去的实验室成员。

为了支持课堂之外的研究学习，Ansys参加了许多以医疗为重点的学术活动和会议。其中一些活动包括：

Ansys致力于推进STEM教育，并确保仿真工具易于访问且成本合理。如欲了解更多信息，敬请访问：Ansys Academic。