金山 馮雨欣 王玥涵
摘 要： 將有限元分析應用於醫學研究，可以解決很多物理學在醫學應用上需要解決卻難以解決的複雜問題，為醫學研究及臨床治療提供理論指導和科學依據。在醫學院校開設醫學有限元仿真實驗課程對學生學習、教師教學科研、學校與附屬醫院合作有著十分重要的意義。
關鍵詞： 有限元;CFD;計算機建模與仿真;生物力學
中圖分類號： TP311.52 文獻標識碼： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.020
本文著錄格式：金山，馮雨欣，王玥涵，等. 醫學有限元仿真實驗系統研究[J]. 軟體，2020，41（09）：7275
【Abstract】： To solve the complex human health problems， computer biomechanical modeling and simulation experimental system can be used to model and make quantitative analysis of human tissues and organs， and establish a precise and standardized non-invasive detection and analysis technology. Based on the clinical case （image）， using fluid mechanics and solid mechanics theory， and computer numerical simulation technology to solve human tissues and make organs quantitative analysis， and formulate individualized treatment scheme， accomplish biomechanical-design.Through the biomechanical modeling and simulation experiment system， the theory instruction to the clinic and the medical college clinical can be accomplished.
【Key words】： Finite element; CFD; Simulation; Modeling and simulation; Biomechanics
0 引言
隨著計算機技術的快速發展，應用有限元方法的計算機建模仿真方法（數值計算方法）與理論分析方法、實驗方法並稱為科學研究的三大主要方法[1]。人體處於力學環境之中，人體各系統，如循環系統、運動系統、消化系統、呼吸系統和泌尿系統等生理活動均受力學因素影響。隨著臨床影像技術等生物醫學技術的發展，基於有限元方法的計算機生物力學建模與仿真在人體發育、生長和疾病發病機制以及個體化防治中發揮越來越重要的作用，將生物醫學基礎研究與力學數值模擬的定量化研究有機結合，體現學科交叉，為醫學研究及臨床治療提供理論指導和科學依據。在醫學院校開設基於有限元分析的醫學仿真實驗課程，對醫學生的學習、教師的教學科研、學校與醫院的合作有重要的意義。
1 基於有限元技術的醫學仿真實驗的優勢
有限元方法最早應用於骨科研究，開始於脊柱生物力學。幾十年來其在解決生物力學問題上得到了廣泛應用。醫學有限元仿真實驗是一個交叉研究領域，包含了生物力學、醫學圖像處理、臨床解剖學、虛擬現實以及有限元技術的多種學科技術[2]。基於有限元法的醫學仿真實驗具有以下幾個方面的優勢：相較於現場實驗，基於有限元方法的醫學仿真實驗可檢測全場數據、能夠實現理想條件的優勢，現場實驗數據精度受儀器、測量方法、測量環境影響較大[3];利用有限元法進行的模擬實驗具有實驗時間短，費用少，可模擬複雜條件、力學性能全面，可重複性好。此外，可根據需要構建模型，對模型根據實驗條件仿真，可在不同實驗條件下模擬人體器官變形、應力/應變分布、內部能量變化、極限破壞分析等。
有限元分析適用於生物醫學材料、內科、胸外科、腦外科、婦科、兒科、眼科、神經科等臨床研究與醫療器械設計，應用領域廣。在醫學院校開設醫學有限元仿真實驗教學，可以為臨床、康復、生物醫學工程等專業學生提供便捷的實驗平台，尤其是為「醫工結合」創造了橋樑。此外，在仿真實驗的基礎上，結合生物醫學的理論研究，為臨床科室的診斷、預測上提供科學的指導，促進醫學院校與臨床醫院的教學結合。
2 醫學有限元實驗內容
醫學有限元實驗內容是基於醫學院校的本科、研究生培養方案的指導下，結合相應的課程來建設。構建分層次、模塊化、共享的模擬仿真體系。目前，醫學有限元建模仿真實驗主要集中在血管系統、肌骨系統、視覺系統等與力學因素密切相關的人體組織和器官，緊密聯繫臨床問題，以臨床病例（影像）為基礎，應用流體力學和固體力學理論、系統生物信息與控制理論，結合先進的流場和應力場測試和醫學影像技術、宏觀與微觀結合，動物實驗與力學模型及數值模擬相結合，對相關組織進行建模與定量分析，從而建立精確規範的無創檢測和分析技術，以及進行個體化治療方案的生物力學設計。
2.1 血管系統建模與仿真系統
血管系統建模與仿真主要包括兩大部分：血管系統的生物力學建模與仿真;局部血管及植介入器械的生物力學建模與仿真。血管系統建模與仿真模塊的主要方法是藉助於計算流體力學技術（computational fluid dynamics，CFD）的血流動力學數值模擬仿真，分析血液循環系統的血流動力學因素，評估、設計心血管植入/介入器械。動脈粥樣硬化多發生在人體動脈特殊的位置，如冠狀動脈、頸動脈分支、主動脈弓、腎動脈分支等。這些部位都伴有彎曲和分支，具有複雜的流體動力學問題，目前大量的實驗研究和仿真研究集中在這些特殊的幾何部位和特徵部位[3-5]：
（1）介入治療與外科手術仿真評價;
（2）瓣膜動力學仿真;
（3）動脈狹窄仿真;
（4）動脈瘤（腹主動脈瘤和腦動脈瘤）仿真;
（5）冠狀動脈分支仿真;
（6）主動脈分支仿真：
（7）頸動脈分支仿真：
（8）人體主動脈仿真。
血流動力學仿真分析需要用到下列技術：
計算流體力學分析技術：控制流體運動的方程被稱為納維-斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程。這些方程是根據質量守恆、動量守恆及能量守恆推導出來的。
連續方程： 式中，u、v、w為速度在三個坐標上的分量;
離散化技術：計算機仿真需要將物理流動域離散為網格形式的計算域。當前在使用中的離散化思想有：有限差分、有限體積、有限元法。
時間積分：廣泛使用的時間相關技術主要分兩類：顯式和隱式。
計算機建模與仿真技術：基於人體真實生理病理參數和醫學影像信息進行詳細的個體化建模。如藉助高精度的CT掃描技術，可以對冠狀動脈等血管進行準確的三維模型重建，設置準確的邊界條件和材料物理屬性，利用計算機對模型進行準確的力學模擬[6-8]。如圖1所示，利用MIMICS軟體（MATERIALIST公司，比利時）對基於CT掃描獲得的冠狀動脈影像數據進行三維重建，獲得三維模型;如圖2所示，利用ANYS FLUENT（ANSYS公司，美國）進行冠狀動脈數值模擬結果（速度流線圖）。
2.2 骨肌系統生物力學建模與仿真
骨肌系統建模與仿真實驗思路為：緊密圍繞臨床問題，以臨床病例（影像）為基礎，應用固體力學理論、系統生物信息和控制理論，結合先進的應力場測試和醫學影像技術，宏觀與微觀相結合，對相關組織和器官進行建模與定量分析，從而建立精確規範的無創檢測和分析技術，以及進行個體化治療方案的生物力學設計[9-10]。當前，醫學影像技術對骨折、骨質疏鬆等諸多骨科疾病診斷非常重要，基於醫療成像設備獲取的二維圖像序列構建骨組織的三維幾何模型，在醫學診斷、手術規劃、醫學教學等方面有很高的應用價值。骨科植入體的構型優化、介入宿主之間的力學關係、介入體的生物力學評價方面是骨肌系統建模仿真實驗的最主要的領域[11-12]。基於CAD（Computer Aided Design）的骨肌系統精細化處理方法，完成一個植介入體的仿真分析需要以下幾個方面：
骨肌系統本構關係：基於不同組織對力學刺激的響應有所差異，在相同的應力狀態下會呈現出不同的應變，本構關係體現其應力與應變的關係，體現了組織固有的材料特性。在骨肌系統建模與仿真中，常用的本構關係有線彈性模型，超彈性模型和粘彈性模型。表1為常用組織的線彈性本構參數[13-15];
（1）生物力學模型的控制方程：（1）平衡方程：，其中為應力張量，為應力張量的散度，為單位體積上的外力矢量;
（2）幾何方程：，其中為Cauchy應變張量，為位移矢量，與分別為位移的左右梯度;
（3）本構方程：或W=W（），左式為應力關於應變的函數，右式為應變能密度關於應變的函數。
目前骨肌系統的建模與仿真主要包括：下肢生物力學建模與仿真：髖關節建模與仿真;膝關節損傷建模與仿真;足踝損傷建模與仿真。脊柱生物力學建模與仿真：頸椎建模與仿真;腰椎建模與仿真。頭部生物力學與仿真：頭頸動力學仿真;眼球損傷生物力學仿真;口腔生物力學仿真;基於Mico-CT的骨微觀力學仿真。多剛體動力學建模與仿真：多剛體系統假人建模與仿真;胸腰段脊柱衝擊響應動力學研究;骨重建過程的建模預仿真。
3 醫學有限元仿真實驗軟體
3.1 醫學圖像處理軟體
MIMICS：MIMICS是Materialise公司開發的一款具有交互式醫學影像控制系統[16]。具有高度模塊化的3D醫學圖像生成及編輯處理軟體，它支持導入各種掃描的醫學圖像數據，如CT、MRI等。通過面繪製法對數據進行三維重建並進行編輯，然後輸出為通用CAD、FEA（Finite Element Analysis，FEA），快速成型格式。MIMICS包括圖像導入模塊、圖像分割模塊、圖像可視化模塊、圖像配准模塊、圖像測量模塊等[17]。
Simpleware：Simpleware是由英國Simpleware Ltd公司開發的一套實現三維圖像到CAD轉化、快速成型和有限元建模的集成化軟體。目前Simpleware軟體已廣泛應用於逆向工程、材料工程、生物力學工程、有限元分析等多工業、多學科領域。Simpleware軟體包括Scan地址、ScanFE、ScanCAD三大部分。Scan地址為圖像處理軟體、ScanFE網格生成模塊、ScanCAD為CAD整合模塊。
3.2 逆向工程軟體
Geomagic：Geomagic是結合了三維點雲、三角網格編輯功能以及CAD造型設計功能的三維逆向工程軟體。該軟體的主要特點是支持多種醫學成像設備的文件格式的讀取和轉換。在醫學建模與仿真中，用戶需要根據人體的掃描數據建立感興趣區的模型[18-20]，因此，Geomagic逆向工程軟體在醫學仿真中應用十分廣泛。
Rapidform：Rapidform軟體在生物醫學領域，Rapidform的優勢在於其較強大的三角面片處理功能。該軟體可通過處理掃描點雲數據生成NURBS曲面，便於在CAD軟體進行設計和改進、在FEA軟體中進行仿真和分析。
3.3 正向工程軟體
matic：3-matic是比利時Materilise公司開發的一款數字化CAD軟體。該軟體支持網格劃分、逆向工程。基於STL格式的文件處理模式，3-matic對人體組織模型編輯功能更為強大，效率極高，極大地保證了模型結構的真實性。3-matic被稱為醫學CAD軟體。
3.4 醫學有限元常用CAD軟體
SolidWorks：SolidWorks是一個專業的三維設計CAD軟體，其最大的優點是它的友好介面為用戶提供易懂易用的建模方式，為數值仿真提供了一個良好的數據接口，更加適用於規則種植體的設計[21]。
3.5 醫學有限元分析常用軟體
Hypermesh：醫學有限元分析中Hypermesh經常用於網格劃分、裝配等前處理中。該軟體功能強大，支持眾多的有限元前處理器。在骨肌系統建模與仿真中，應用較多。
AnyBody軟體：AnyBody是一款用來模擬人體在環境中工作時內部骨肌系統生物力學響應的一款軟體。通過AnyBody軟體仿真可獲得人體的肌肉力、關節力、力矩、新陳代謝等豐富的生物力學數據。
ANSYS Workbench軟體：美國ANSYS公司開發的工程仿真技術集成平台，可進行線性靜態結構分析、模態分析、諧響應分析、響應譜分析、隨機振動分析、瞬態動力學分析、顯式動力學分析、結構非線性分析、流體動力學分析等。
ABAQUS軟體：ABAQUS被廣泛地認為是功能最強的有限元軟體，可以分析複雜的固體力學結構力學系統，特別是能夠駕馭非常龐大複雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析，同時還可以做系統級的分析和研究。
COMSOL Multiphysics軟體：COMSOL Multiphysics是一款大型的高級數值仿真軟體。廣泛應用於各個領域的科學研究以及工程計算，模擬科學和工程領域的各種物理過程。COMSOL當前有一個基本模塊和八個專業模塊：結構力學模塊（Structural MechanicsModule）、以及反應工程實驗室（COMSOL Reaction Engineering LAB）、信號與系統實驗室（Signal&System LAB）、最優化實驗室（Optimization LAB）、CAD導入模塊（CADImportModule）、二次開發模塊（COMSOL ScriptTM）。
ADAMS軟體：ADMAS，即機械系統動力學自動分析軟體，是美國MDI公司開發的虛擬樣機分析軟體。ADAMS軟體中提供的多種多樣的關節和力的輸入方式，完全可以勝任頭頸部模型中的集總關節、韌帶和肌肉的建模與分析。
4 結束語
建立醫學有限元實驗有兩個關鍵的問題：（1）醫用有限元模型快速準確的建立。模型的快速準確建立可以減少仿真實驗所需時間、降低費用、增加仿真的準確性和可信性。（2）建立通用的有限元模型庫，為進一步的實驗教學和科研打下堅實的基礎。因此需要在具體實驗實踐中逐步探索和積累。將工程有限元分析同醫學結合開設實驗課，屬於多學科之間的交叉領域，不僅可以提高學生對所學專業知識的綜合運用能力，增強學生就業與學習深造的競爭力，而且可以加強多學科教師的教學和科研合作，提高教師的教學科研水平。同時提高相關實驗室的利用率，為學生自主開展創新實驗提供平台，加強學校和附屬醫院的教學科研合作，為醫學院校提供更為廣闊的教學和科學研究領域。
參考文獻
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摘 要： 將有限元分析應用於醫學研究，可以解決很多物理學在醫學應用上需要解決卻難以解決的複雜問題，為醫學研究及臨床治療提供理論指導和科學依據。在醫學院校開設醫學有限元仿真實驗課程對學生學習、教師教學科研、學校與附屬醫院合作有著十分重要的意義。
關鍵詞： 有限元;CFD;計算機建模與仿真;生物力學
中圖分類號： TP311.52 文獻標識碼： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.020
本文著錄格式：金山，馮雨欣，王玥涵，等. 醫學有限元仿真實驗系統研究[J]. 軟體，2020，41（09）：7275
【Abstract】： To solve the complex human health problems， computer biomechanical modeling and simulation experimental system can be used to model and make quantitative analysis of human tissues and organs， and establish a precise and standardized non-invasive detection and analysis technology. Based on the clinical case （image）， using fluid mechanics and solid mechanics theory， and computer numerical simulation technology to solve human tissues and make organs quantitative analysis， and formulate individualized treatment scheme， accomplish biomechanical-design.Through the biomechanical modeling and simulation experiment system， the theory instruction to the clinic and the medical college clinical can be accomplished.
【Key words】： Finite element; CFD; Simulation; Modeling and simulation; Biomechanics
0 引言
隨著計算機技術的快速發展，應用有限元方法的計算機建模仿真方法（數值計算方法）與理論分析方法、實驗方法並稱為科學研究的三大主要方法[1]。人體處於力學環境之中，人體各系統，如循環系統、運動系統、消化系統、呼吸系統和泌尿系統等生理活動均受力學因素影響。隨著臨床影像技術等生物醫學技術的發展，基於有限元方法的計算機生物力學建模與仿真在人體發育、生長和疾病發病機制以及個體化防治中發揮越來越重要的作用，將生物醫學基礎研究與力學數值模擬的定量化研究有機結合，體現學科交叉，為醫學研究及臨床治療提供理論指導和科學依據。在醫學院校開設基於有限元分析的醫學仿真實驗課程，對醫學生的學習、教師的教學科研、學校與醫院的合作有重要的意義。
1 基於有限元技術的醫學仿真實驗的優勢
有限元方法最早應用於骨科研究，開始於脊柱生物力學。幾十年來其在解決生物力學問題上得到了廣泛應用。醫學有限元仿真實驗是一個交叉研究領域，包含了生物力學、醫學圖像處理、臨床解剖學、虛擬現實以及有限元技術的多種學科技術[2]。基於有限元法的醫學仿真實驗具有以下幾個方面的優勢：相較於現場實驗，基於有限元方法的醫學仿真實驗可檢測全場數據、能夠實現理想條件的優勢，現場實驗數據精度受儀器、測量方法、測量環境影響較大[3];利用有限元法進行的模擬實驗具有實驗時間短，費用少，可模擬複雜條件、力學性能全面，可重複性好。此外，可根據需要構建模型，對模型根據實驗條件仿真，可在不同實驗條件下模擬人體器官變形、應力/應變分布、內部能量變化、極限破壞分析等。
有限元分析適用於生物醫學材料、內科、胸外科、腦外科、婦科、兒科、眼科、神經科等臨床研究與醫療器械設計，應用領域廣。在醫學院校開設醫學有限元仿真實驗教學，可以為臨床、康復、生物醫學工程等專業學生提供便捷的實驗平台，尤其是為「醫工結合」創造了橋樑。此外，在仿真實驗的基礎上，結合生物醫學的理論研究，為臨床科室的診斷、預測上提供科學的指導，促進醫學院校與臨床醫院的教學結合。
2 醫學有限元實驗內容
醫學有限元實驗內容是基於醫學院校的本科、研究生培養方案的指導下，結合相應的課程來建設。構建分層次、模塊化、共享的模擬仿真體系。目前，醫學有限元建模仿真實驗主要集中在血管系統、肌骨系統、視覺系統等與力學因素密切相關的人體組織和器官，緊密聯繫臨床問題，以臨床病例（影像）為基礎，應用流體力學和固體力學理論、系統生物信息與控制理論，結合先進的流場和應力場測試和醫學影像技術、宏觀與微觀結合，動物實驗與力學模型及數值模擬相結合，對相關組織進行建模與定量分析，從而建立精確規範的無創檢測和分析技術，以及進行個體化治療方案的生物力學設計。
2.1 血管系統建模與仿真系統
血管系統建模與仿真主要包括兩大部分：血管系統的生物力學建模與仿真;局部血管及植介入器械的生物力學建模與仿真。血管系統建模與仿真模塊的主要方法是藉助於計算流體力學技術（computational fluid dynamics，CFD）的血流動力學數值模擬仿真，分析血液循環系統的血流動力學因素，評估、設計心血管植入/介入器械。動脈粥樣硬化多發生在人體動脈特殊的位置，如冠狀動脈、頸動脈分支、主動脈弓、腎動脈分支等。這些部位都伴有彎曲和分支，具有複雜的流體動力學問題，目前大量的實驗研究和仿真研究集中在這些特殊的幾何部位和特徵部位[3-5]：
（1）介入治療與外科手術仿真評價;
（2）瓣膜動力學仿真;
（3）動脈狹窄仿真;
（4）動脈瘤（腹主動脈瘤和腦動脈瘤）仿真;
（5）冠狀動脈分支仿真;
（6）主動脈分支仿真：
（7）頸動脈分支仿真：
（8）人體主動脈仿真。
血流動力學仿真分析需要用到下列技術：
計算流體力學分析技術：控制流體運動的方程被稱為納維-斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程。這些方程是根據質量守恆、動量守恆及能量守恆推導出來的。
連續方程： 式中，u、v、w為速度在三個坐標上的分量;
離散化技術：計算機仿真需要將物理流動域離散為網格形式的計算域。當前在使用中的離散化思想有：有限差分、有限體積、有限元法。
時間積分：廣泛使用的時間相關技術主要分兩類：顯式和隱式。
計算機建模與仿真技術：基於人體真實生理病理參數和醫學影像信息進行詳細的個體化建模。如藉助高精度的CT掃描技術，可以對冠狀動脈等血管進行準確的三維模型重建，設置準確的邊界條件和材料物理屬性，利用計算機對模型進行準確的力學模擬[6-8]。如圖1所示，利用MIMICS軟體（MATERIALIST公司，比利時）對基於CT掃描獲得的冠狀動脈影像數據進行三維重建，獲得三維模型;如圖2所示，利用ANYS FLUENT（ANSYS公司，美國）進行冠狀動脈數值模擬結果（速度流線圖）。
2.2 骨肌系統生物力學建模與仿真
骨肌系統建模與仿真實驗思路為：緊密圍繞臨床問題，以臨床病例（影像）為基礎，應用固體力學理論、系統生物信息和控制理論，結合先進的應力場測試和醫學影像技術，宏觀與微觀相結合，對相關組織和器官進行建模與定量分析，從而建立精確規範的無創檢測和分析技術，以及進行個體化治療方案的生物力學設計[9-10]。當前，醫學影像技術對骨折、骨質疏鬆等諸多骨科疾病診斷非常重要，基於醫療成像設備獲取的二維圖像序列構建骨組織的三維幾何模型，在醫學診斷、手術規劃、醫學教學等方面有很高的應用價值。骨科植入體的構型優化、介入宿主之間的力學關係、介入體的生物力學評價方面是骨肌系統建模仿真實驗的最主要的領域[11-12]。基於CAD（Computer Aided Design）的骨肌系統精細化處理方法，完成一個植介入體的仿真分析需要以下幾個方面：
骨肌系統本構關係：基於不同組織對力學刺激的響應有所差異，在相同的應力狀態下會呈現出不同的應變，本構關係體現其應力與應變的關係，體現了組織固有的材料特性。在骨肌系統建模與仿真中，常用的本構關係有線彈性模型，超彈性模型和粘彈性模型。表1為常用組織的線彈性本構參數[13-15];
（1）生物力學模型的控制方程：（1）平衡方程：，其中為應力張量，為應力張量的散度，為單位體積上的外力矢量;
（2）幾何方程：，其中為Cauchy應變張量，為位移矢量，與分別為位移的左右梯度;
（3）本構方程：或W=W（），左式為應力關於應變的函數，右式為應變能密度關於應變的函數。
目前骨肌系統的建模與仿真主要包括：下肢生物力學建模與仿真：髖關節建模與仿真;膝關節損傷建模與仿真;足踝損傷建模與仿真。脊柱生物力學建模與仿真：頸椎建模與仿真;腰椎建模與仿真。頭部生物力學與仿真：頭頸動力學仿真;眼球損傷生物力學仿真;口腔生物力學仿真;基於Mico-CT的骨微觀力學仿真。多剛體動力學建模與仿真：多剛體系統假人建模與仿真;胸腰段脊柱衝擊響應動力學研究;骨重建過程的建模預仿真。
3 醫學有限元仿真實驗軟體
3.1 醫學圖像處理軟體
MIMICS：MIMICS是Materialise公司開發的一款具有交互式醫學影像控制系統[16]。具有高度模塊化的3D醫學圖像生成及編輯處理軟體，它支持導入各種掃描的醫學圖像數據，如CT、MRI等。通過面繪製法對數據進行三維重建並進行編輯，然後輸出為通用CAD、FEA（Finite Element Analysis，FEA），快速成型格式。MIMICS包括圖像導入模塊、圖像分割模塊、圖像可視化模塊、圖像配准模塊、圖像測量模塊等[17]。
Simpleware：Simpleware是由英國Simpleware Ltd公司開發的一套實現三維圖像到CAD轉化、快速成型和有限元建模的集成化軟體。目前Simpleware軟體已廣泛應用於逆向工程、材料工程、生物力學工程、有限元分析等多工業、多學科領域。Simpleware軟體包括Scan地址、ScanFE、ScanCAD三大部分。Scan地址為圖像處理軟體、ScanFE網格生成模塊、ScanCAD為CAD整合模塊。
3.2 逆向工程軟體
Geomagic：Geomagic是結合了三維點雲、三角網格編輯功能以及CAD造型設計功能的三維逆向工程軟體。該軟體的主要特點是支持多種醫學成像設備的文件格式的讀取和轉換。在醫學建模與仿真中，用戶需要根據人體的掃描數據建立感興趣區的模型[18-20]，因此，Geomagic逆向工程軟體在醫學仿真中應用十分廣泛。
Rapidform：Rapidform軟體在生物醫學領域，Rapidform的優勢在於其較強大的三角面片處理功能。該軟體可通過處理掃描點雲數據生成NURBS曲面，便於在CAD軟體進行設計和改進、在FEA軟體中進行仿真和分析。
3.3 正向工程軟體
matic：3-matic是比利時Materilise公司開發的一款數字化CAD軟體。該軟體支持網格劃分、逆向工程。基於STL格式的文件處理模式，3-matic對人體組織模型編輯功能更為強大，效率極高，極大地保證了模型結構的真實性。3-matic被稱為醫學CAD軟體。
3.4 醫學有限元常用CAD軟體
SolidWorks：SolidWorks是一個專業的三維設計CAD軟體，其最大的優點是它的友好介面為用戶提供易懂易用的建模方式，為數值仿真提供了一個良好的數據接口，更加適用於規則種植體的設計[21]。
3.5 醫學有限元分析常用軟體
Hypermesh：醫學有限元分析中Hypermesh經常用於網格劃分、裝配等前處理中。該軟體功能強大，支持眾多的有限元前處理器。在骨肌系統建模與仿真中，應用較多。
AnyBody軟體：AnyBody是一款用來模擬人體在環境中工作時內部骨肌系統生物力學響應的一款軟體。通過AnyBody軟體仿真可獲得人體的肌肉力、關節力、力矩、新陳代謝等豐富的生物力學數據。
ANSYS Workbench軟體：美國ANSYS公司開發的工程仿真技術集成平台，可進行線性靜態結構分析、模態分析、諧響應分析、響應譜分析、隨機振動分析、瞬態動力學分析、顯式動力學分析、結構非線性分析、流體動力學分析等。
ABAQUS軟體：ABAQUS被廣泛地認為是功能最強的有限元軟體，可以分析複雜的固體力學結構力學系統，特別是能夠駕馭非常龐大複雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析，同時還可以做系統級的分析和研究。
COMSOL Multiphysics軟體：COMSOL Multiphysics是一款大型的高級數值仿真軟體。廣泛應用於各個領域的科學研究以及工程計算，模擬科學和工程領域的各種物理過程。COMSOL當前有一個基本模塊和八個專業模塊：結構力學模塊（Structural MechanicsModule）、以及反應工程實驗室（COMSOL Reaction Engineering LAB）、信號與系統實驗室（Signal&System LAB）、最優化實驗室（Optimization LAB）、CAD導入模塊（CADImportModule）、二次開發模塊（COMSOL ScriptTM）。
ADAMS軟體：ADMAS，即機械系統動力學自動分析軟體，是美國MDI公司開發的虛擬樣機分析軟體。ADAMS軟體中提供的多種多樣的關節和力的輸入方式，完全可以勝任頭頸部模型中的集總關節、韌帶和肌肉的建模與分析。
4 結束語
建立醫學有限元實驗有兩個關鍵的問題：（1）醫用有限元模型快速準確的建立。模型的快速準確建立可以減少仿真實驗所需時間、降低費用、增加仿真的準確性和可信性。（2）建立通用的有限元模型庫，為進一步的實驗教學和科研打下堅實的基礎。因此需要在具體實驗實踐中逐步探索和積累。將工程有限元分析同醫學結合開設實驗課，屬於多學科之間的交叉領域，不僅可以提高學生對所學專業知識的綜合運用能力，增強學生就業與學習深造的競爭力，而且可以加強多學科教師的教學和科研合作，提高教師的教學科研水平。同時提高相關實驗室的利用率，為學生自主開展創新實驗提供平台，加強學校和附屬醫院的教學科研合作，為醫學院校提供更為廣闊的教學和科學研究領域。
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