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计算流体力学在医学教育系统中的重要性

万晓龙;郑彩霞;王斯民【摘要】计算流体力学是随着计算机的发展而产生的一个介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科，已广泛深入到流体力学的各个领域.本文通过简述计算流体力学在呼吸道系统、心血管系统和医疗设备中的应用，说明了其在医疗系统的广泛应用，体现了它在医学教育系统中的重要地位.计算流体力学将为医学教育系统注入新的活力并起到完善作用.

【期刊名称】《西北医学教育》【年(卷)，期】2016(024)003【总页数】4页(P441-444)【关键词】计算流体力学;医学教育;应用【作者】万晓龙;郑彩霞;王斯民

【作者单位】西安交通大学第二附属医院，陕西西安710004;西安交通大学第二附属医院，陕西西安710004;西安交通大学第二附属医院，陕西西安710004

【正文语种】中文

【中图分类】G642随着时代的发展和科学技术的进步，作为医学教育中普通基础课的生物学、物理学、化学、数学等自然科学课程已不能满足现代医学体系快速发展的要求。近年来，随着计算流体力学(computationalfluiddynamics，CFD)的快速发展，过程仿真研究方法已被广泛应用到医疗领域的研究当中。计算流体力学的出现与发展将会为现有的医学教育系统注入新的活力。本文从计算流体力学的发展以及它在医疗领域被广泛应用的角度，分析了在现有的医学教育系统中急需加入计算流体力学的必要性。计算流体力学的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值［1-3］。宏观上物理方面的运输现象都是以流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程)为原则。CFD可以看作是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟［4］，而这些守恒方程则是通过一系列代数方程、偏微分方程或者以积分的形式来表示的。运用计算流体力学需要我们准确选择合适的模型和求解策略：层流或湍流模型、非牛顿流体本构模型、使用结构化或非结构化网格求解、动网格技术、边界条件以及流体之间的相互作用等。

计算流体力学可以对复杂几何结构内的流体流动和质量传输过程进行精细地预测。CFD作为一种设计工具除了已经被广泛地应用于航空航天领域、汽车领域以及制造业，同时也应用在了医疗领域当中。CFD已经逐渐影响了人工器官的发展进程，而且已经成为国际人造器官代表大会中的一项重要议程［5］。通过计算流体力学，我们可以详细地了解到临床手段无法获取的压力、流场等信息，也可以计算出常规手段无法测量出的壁面剪切力等。这种高效的模拟手段能使我们在对病人进行医疗诊断时最小化对人体的伤害程度。

计算流体力学在呼吸道系统中的应用对于呼吸道疾病的诊断、个性化干预和手术方案的设计有重要意义。国内外已经有大量的研究者将计算流体力学应用到呼吸道疾病的治疗中，如Crouzon综合征、阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征

(obstructivesleepapnea-hypopneasyndrome，OSAHS)和鼻中隔偏曲等。王涛等［6］通过建立Crouzon综合征患者的鼻腔模型，分析鼻腔内的气流场特征，并将其与术后的模拟结果作对比，发现鼻瓣区对鼻腔气流流场分布起到了重要作用，术后鼻阻力发生了改变，鼻腔通气功能得到改善。于申等［7］对3例OSAHS患者术前术后的上气道气流场分布进行了数值模拟分析，分析了上游鼻腔通气程度对下游咽腔产生的影响决定了鼻部手术对OSAHS患者的治疗效果。张潇文［8］通过计算流体力学分析了偏曲对侧鼻甲代偿性增生不明显的鼻腔内的气流场特性。David等［9］分别对鼻甲切除之后和之前的鼻腔内的气流场和压力场进行数值模拟分析，研究发现下鼻甲的切除会导致鼻腔内气道压力大幅下降，其中瓣区受到的影响最小，鼻腔中后段底部受到的影响相对增强。这些成功的应用表面计算流体力学已经成为呼吸道疾病诊断的一种有利工具。

目前，关于心血管系统疾病的治疗，医生的判断大都基于所有患者的总体平均医疗数据，每个病人缺少其相应的详细的个人病情数据，所以并不能真正地做到对每个病人针对性地治疗。借助CFD技术，可以建立出每个病人的实体模型，通过模拟获取具体的数据信息，可以获取体内复杂的生理压力特性和流场特征以及计算出无法直接测量的一些特征量，如壁面剪切应力(WSS)，壁面剪切力是动脉粥样硬化和支架内再狭窄的关键因素，借助CFD模型可以容易地计算出WSS并得到它的空间分布，而这在传统医学中是很难去安全地实现的［10-11］。利用CFD模拟还可以了解到壁面剪切力对体内