医学有限元仿真实验

医学有限元仿真实验（通用5篇）

医学有限元仿真实验 篇1

摘要：将有限元分析应用于医学研究, 可以解决很多物理学在医学应用上需要解决却难以解决的复杂问题, 为医学研究及临床治疗提供理论指导和科学依据。在医学院校开设医学有限元仿真实验课程对学生学习、教师教学科研、学校与附属医院合作有着十分重要的意义。

关键词：有限元,医学,仿真实验

有限元分析是一种广泛应用于工程科学技术的数学物理方法, 用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题。1956年Turner等人提出有限元 (Finite Element, FE) 的概念。有限元的核心思想是结构的离散化, 就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体, 实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析, 得出满足工程精度的近似结果替代对实际结构的分析, 这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。

随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高, 有限元分析在工程设计和分析中得到越来越广泛的重视, 已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径, 现在从汽车到航天飞机大多数设计制造已离不开有限元分析计算, 其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、生物医学研究等各个领域的广泛应用已使设计水平发生了质的飞跃。

1 医学有限元国内外研究现状分析

有限元方法最早应用于骨科研究, 开始于脊柱生物力学[1]。几十年来其在解决生物力学问题上得到了广泛应用, 尤其近年来, 随着数字及计算机技术的不断进步, 有限元法本身已不再是相对独立地研究生物力学性质, 它越来越多地与各种动力学模型、参数优化选择、临床放射学与实物测量、有机化学、组织学与免疫组化等方法巧妙结合, 使结果更加准确可靠, 成为生物力学研究中的一种重要工具。有限元方法在医学上的研究主要包括以下四个方面。

1.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立, 直接影响有限元仿真实验结果的精度、计算机计算过程、计算时间的长短, 且模型建立的优劣与建模人员的专业素质和有限元知识分不开。现有研究的模型包括:人眼[2]、牙齿及矫正器[3]、脊柱[4]、颅脑骨骼[5]、胃[6]等人体骨骼及器官的三维有限元模型。

1.2 力学实验仿真

A.Pandolfi, F.Manganiello对所建立的人眼角膜模型进行了力学分析[7]。Tammy L HD等对建立的胫股关节三维有限元模型分析了骨骼变形对关节面接触行为的影响以及约束关节运动对接触应力的影响等[8]。

脊柱生物力学仿真是有限元法在生物力学中研究最早、分析最多、临床上应用最广泛的领域。杜东鹏等则对腰椎间盘膨隆的力学机制与腰椎疲劳骨折分别进行了探讨[9]。

头颅及颞下关节也是有限元在生物力学中研究的重点。吕长生等对建立的足部骨组织模型进行有限元分析, 为运动损伤或运动鞋的评价等提供了依据[10]。王芳等建立并验证中国人全颈椎有限元模型, 用于挥鞭样损伤分析[11]。米那瓦尔•阿不都热依木采用有限元方法, 对颌面外科手术术后的颜面软组织形态变化进行预测[12]。

1.3 医疗器械的力学性能评价及优化设计

牙科是有限元法在临床应用中的一大领域, 相应的各种牙科固定器材得以研制开发, 这些器材的力学性能又是研制过程中重点解决的问题。蔡玉惠等研究了RPA卡环在游离端义齿应用中支持组织的应力分布状况, 对RPA卡环的临床应用具有力学上的指导作用[9]。

在内固定钢板方面, 张美超等从临床应用出发, 利用有限元法对颈前路蝶型钢板进行生物力学模拟分析, 得到了与其一致的易断裂部位预测[9]。

在人工关节方面, Heegaard JH等建立了髌骨的计算模型, 并且模拟了在人工膝关节中去掉股骨假体对髌骨活动的影响[13]。王永书等对患者胸腰椎爆裂性骨折节段 (T12~L2) 部位利用有限元进行手术模拟, 均与标本模型及术后CT扫描基本相符[14]。

1.4 血流动力学CFD应用

Tarbell JM用FIDAP和Fluent软件进行了血管壁中组织液流动的数值研究[15]。乔爱科等利用有限元分析方法得出冠状动脉搭桥术中对称双路搭桥比单路搭桥具有更合理的血流动力学, 可以避免动脉粥样硬化的危险性血流动力学因素, 从而减少手术再狭窄的发生[16]。杨金有应用CFD计算流体力学软件进行人体主动脉内血流数值模拟分析, 为阐明血管疾病的发病机理提供理论依据[17]。姚伟用计算流体力学软件Fluent计算人体小腿骨间膜组织间隙中蛋白质非均匀分布情况下组织液流动[18]。

2 医学有限元仿真实验方法

通过上述医学有限元研究可得医学仿真实验的方法主要分为四步: (1) 通过螺旋CT技术, 采集大量的样本图像。运用现有医用物理实验室计算机对样本图像进行建模处理, 并进行相关的有限元分析。 (2) 通过查阅相关国内外资料, 针对所需建立模型的生理、物理等参数特性, 在几种常用图像处理软件 (Mimcs, Proe等) 中选取较为合理准确的有限元建模软件。 (3) 在常用有限元分析软件 (ANSYS, Fluent等) 中选取较为合理准确的软件对模型进行有限元分析。 (4) 将有限元分析结果与实际测量数据进行对比, 分析有限元模型的准确性。

3 有限元法在医学研究中的优势

有限元法在医学研究中具有四个方面的突出优势: (1) 可根据需要产生各种各样的标本, 对模型进行实验条件仿真, 模拟拉伸、弯曲、扭转等各种力学实验, 可以在不同实验条件下模拟任意部位变形、应力/应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等情况。 (2) 标本也可以进行修正以模拟任何病理状态。同一个标本在虚拟计算中可进行无数次加载或组合而不会被损坏。 (3) 其结果不受实验条件的影响, 也排除了实验条件造成的误差, 而且可以重复计算, 节约成本。 (4) 利用有限元法进行的模拟实验具有实验时间短、费用少、可模拟复杂条件、力学性能测试全面及可重复性好等优点。

4 医学院校开展医学有限元仿真实验的意义

在医学院校开展医学有限元仿真实验, 可以使学生将相关医学、物理、生物等课程的知识综合应用于仿真实验中, 给生物医学工程专业学生的毕业设计提供更为广阔的范围, 使研究具有更高的水平;激发学生的创新思维和热情, 使学生在自主科研创新的基础上, 设计相关仿真实验加以验证、研究。同时, 开展仿真实验要求教师不仅需要对本专业知识做到“了如指掌”, 而且需要教师具有仿真实验相关的医学、物理学、生物学等非本专业学科的专业知识, 还要求教师必须掌握螺旋CT扫描技术, Mimics, ANSYS等建模、仿真软件的计算机应用技术。这些知识对于教师实验教学、科研水平的提高具有十分重要而深远的意义。在开展医学仿真实验的基础上, 建设医学仿真实验室, 不仅可以为学生提供毕业实习条件, 加强实习基地建设, 而且与医院相关科室进行合作, 可以在生物力学基础上预测手术中、长期效果, 对医生手术具有较为科学的指导, 加强了学校与医院的合作。

5 结束语

建立医学有限元实验有两个关键的问题: (1) 医用有限元模型快速准确的建立。模型的快速准确建立可以减少仿真实验所需时间、降低费用、增加仿真的准确性和可信性。 (2) 建立通用的有限元模型库, 为进一步的实验教学和科研打下坚实的基础。因此需要在具体实验实践中逐步探索和积累。

将工程有限元分析同医学结合开设实验课, 属于多学科之间的交叉领域, 不仅可以提高学生对所学专业知识的综合运用能力, 增强学生就业与学习深造的竞争力, 而且可以加强多学科教师的教学和科研合作, 提高教师的教学科研水平。同时提高相关实验室的利用率, 为学生自主开展创新实验提供平台, 加强学校和附属医院的教学科研合作, 为医学院校提供更为广阔的教学和科学研究领域。

医学有限元仿真实验 篇2

在石油化工行业中存在着大量的地面压力管道,此类压力管道长期遭受内部介质和外部空气等因素作用,极易发生腐蚀穿孔,造成泄漏、爆炸等事故,严重威胁生产和生命安全[1]。对管道进行缺陷检测,及时掌握地面管道的腐蚀情况,并对缺陷进行修复和评估,就能有效控制此类事故的发生,延长管道的工作寿命[2]。在众多的管道缺陷无损检测方法中,漏磁检测技术可实现管道的在线检测,检测速度快,方便可靠,得到了广泛的应用[3,4,5,6,7]。

在目前的工程应用中,管道检测多采用超声测厚检测,漏检、重检的情况时有发生,容易对检测结果造成不必要的影响[8]。为此,本文设计了一种可变径、适用于不同管径的漏磁检测装置,并通过有限元仿真[9,10,11,12,13,14]和实验探究,验证了该装置的有效性和可行性,使其能成功应用到工程实践中去。

1 管道漏磁有限元仿真分析

1.1 有限元模型的建立与求解

在ANSYS软件中采用棱边单元法,以solid117单元为单元类型[15],人为建立圆柱形腐蚀缺陷,选取管道局部特征建立分析模型,如图1所示。

对各单元进行材料属性设定后将进行有限元网格的划分,本文中采用自由划分的方式,选择四面体网格形状,能有效满足分析要求,缺陷处网格划分结果如图2所示。

网格划分完毕,对分析模型施加狄利克雷边界条件,采用稀疏矩阵求解器对模型求解计算,得到去除空气外罩的模型磁场强度分布云图,如图3所示。

从图4磁感应强度矢量图中可以清楚地看出,管道在缺陷处的磁场发生了畸变,此处明显有磁力线溢出,产生了漏磁场。在缺陷上方1 mm处沿管道轴向设置路径,对缺陷处磁通量密度进行提取,可以得到缺陷处磁通量密度特征曲线。

1.2 缺陷不同直径对缺陷处漏磁场的影响分析

利用控制变量法,实现对缺陷直径的单一变量控制,以被研究管道厚度的50%(本文中取为4.5 mm)为固定缺陷深度,分别取2 mm,3 mm,4 mm,5 mm,6 mm,7mm和8 mm为直径,分析缺陷的不同直径对漏磁场的影响规律。计算求解完成后,按照定义好的路径提取出缺陷处磁通量密度分布曲线,如图5所示。

从图5中可以看出,缺陷处磁通量密度的径向分量以缺陷中心呈中心对称分布,轴向分量以缺陷中心呈轴对称分布,磁通量密度径向分量随缺陷直径的增大先增大后减小,轴向分量则随缺陷直径的增大呈现减小趋势。而且径向分量曲线中的正负峰值间距和轴向分量曲线中的两拐点间距均随着缺陷直径的增大而增大,此仿真结果在实际检测中可以为缺陷的识别和量化提供必要依据。

1.3 缺陷不同深度对缺陷处漏磁场的影响分析

同样利用控制变量法,对缺陷深度进行单一变量控制,用管外壁圆柱坑模拟管道腐蚀缺陷,以5 mm为固定缺陷直径,取不同深度分别为被研究管道壁厚的20%,30%,40%,50%,60%,70%和80%进行仿真分析。计算求解完成后,提取出相同直径、不同深度的缺陷处磁通量密度分布曲线,如图6所示。

从图6中可以看出,对于相同直径、不同深度的缺陷,随着腐蚀的加深,缺陷处磁通量密度径向分量和轴向分量均有明显增大的趋势。

2 检测仪结构设计

针对以往管道漏磁检测仪劳动强度大、检测效率低的特点,本文设计了一种可变径的管道外漏磁扫描检测仪,其外观及结构如图7所示。

为了适应不同管径的管道检测需要,同时保证有效的扫描宽度和检测效率,本文设计的管道外漏磁扫描检测仪采用3个分离的磁化结构,如图8所示,霍尔元件均布在传感器盒内,添加了调节螺母等传感器升降装置,以调节传感器距离管壁的高度,使其处于最佳的信号采集位置。

3 实验研究

3.1 管道外漏磁检测实验系统

为验证漏磁扫描检测仪的有效性,以及有限元仿真的正确性,设计如图9所示实验系统进行实验。

检测仪将被测管壁磁化后,由磁敏元件组成的传感器采集到漏磁场信号,将磁信号转变为电压信号,并通过数据采集系统输入到工业计算机中,在工业计算机上便可通过管道漏磁扫描分析软件(如图10)进行实验数据的返放与波形分析,识别管道缺陷特征。

3.2 管道缺陷检测及数据分析

取一段直径为159 mm,壁厚8 mm,长1 100 mm的10号无缝钢管,在管道内壁沿轴向人为等间距预制一组半球形缺陷,壁厚减薄量分别为管壁厚度的20%(1.6 mm),40%(3.2 mm),60%(4.8 mm)和80%(6.4mm),如图11所示。研究壁厚减薄量对管外壁漏磁场的影响规律。

将检测仪放置在管道外表面,控制其以0.3 m/s速度从左到右行走过缺陷所处位置,在电脑接收端可得到管道外壁漏磁场数据。检测仪的传感器是由沿管道周向均布的15个霍尔元件组成,完成一次扫描检测共有15个通道的实验数据,进行分析处理得到图12所示管道缺陷漏磁场数据三维图。X轴为通道数,Y轴为检测仪行走的距离,Z轴为检测到的漏磁信号电压值。从图中可以明显看出,缺陷体积越大,检测信号波动越明显,电压幅值也越大。对比不同信号幅值所在通道的位置及有幅值波动的通道数目,还可以分析出缺陷所处的位置,比较出不同缺陷的直径大小,即有幅值波动的相近通道数目越多,则此处缺陷直径越大。

从图13实验数据二维图中可以看出,各峰值间距等于管道内壁各缺陷的间距,故可将检测数据中的漏磁信号峰值间距作为缺陷定位的主要判据之一。8号通道采集到幅值最大的漏磁检测信号,说明8号通道处于半球形缺陷的正上方,将其单独提取出并进行峰值曲线拟合,拟合后的结果为一条二次曲线,如图14所示。

一次拟合公式为:

式中:Y为漏磁信号电压值,V;X为壁减百分比,%。

4 结论

1)本文基于有限元理论,利用Ansys有限元分析软件建立了管道外漏磁检测模型,得到了缺陷处漏磁场特征曲线,模拟了不同直径、不同深度的圆柱形缺陷对管道外壁漏磁场的影响,得出了不同参数缺陷对漏磁场的影响规律,即:缺陷处漏磁场强度径向分量随缺陷直径的增大先增大后减小,随缺陷深度的增大而增大。

2)管道漏磁检测仪的优势在于大面积、迅速地对管道的壁厚进行扫查,扫查过程中对于均匀或局部腐蚀缺陷的不同形态和大小,可以依据标定试板进行判定。压力管道的缺陷主要是腐蚀减薄,特别是埋地管道,开挖后可以采用该技术进行腐蚀扫查。在实际检验工作中,缺陷的形态往往是非典型的。对于复杂形态的缺陷,还需要配合其他无损检测方法进行识别和判定。

医学有限元仿真实验 篇3

仪器化压入技术[1,2,3,4,5,6,7]通过高精度的连续测量加、卸载过程中垂直作用于压头上的压入载荷和压头压入被测材料的深度,并借助准确反映材料压入变形的力学模型,可以识别材料的诸多力学参数,比如弹性模量、硬度等。该技术用于材料力学性能测试,试样制备简单,操作方便,实验接近无损,因此,受到了广泛关注。S45C钢具有良好的机械性能,广泛用于制造各种重要的结构零件,特别是服役于交变负荷工况下的连杆、螺栓、齿轮及轴承等[8,9]。所以,采用仪器化压入技术进行S45C钢力学性能参数测试具有重要的工程实践意义,不仅为设计人员提供重要依据,同时为零件服役状态评估提供支撑。

仪器化压入涉及到材料、几何和边界条件非线性,研究人员至今无法获得精确描述材料参数与压入响应之间关系的解析表达式。因此,本文采用有限元仿真对基于Vickers压头的S45C钢仪器化压入实验进行数值模拟,并与仪器化压入实验结果进行比较。

2 S45C仪器化压入有限元分析

典型的仪器化压入载荷-位移曲线如图1所示,根据该曲线可以定义名义硬度Hn为最大压入载荷Pm与最大压入深度hm所对应的压头横截面积A(hm)之比,即Hn=Pm/A(hm)。此外,定义加载功Wt和卸载功We分别为压头在加载和卸载过程所做的功,其值分别为加载曲线和卸载曲线与横坐标所围面积。

标准四棱锥Vickers压头面角为136°。研究表明,对于同一被压材料,采用Vickers压头和与其具有相同面积函数的圆锥压头可以获得相同的仪器化压入加、卸载曲线[10,11]。考虑到Vickers压头的加工误差,标定后的Vickers压头与锥半角为70.5°的圆锥压头具有相同的面积函数,因此,采用锥半角为70.5°的圆锥压头代替Vickers压头进行S45C钢仪器化压入数值仿真,不仅获得相同仿真结果,而且简化仿真模型,节约计算资源,提高计算效率。

应用商用有限元软件Abaqus[12]建立二维轴对称模型对锥半角为70.5°的圆锥压头压入S45C钢的压入响应进行有限元数值模拟,图2为压头和被压材料划分的总体有限元网格和压头尖端附近的局部网格,靠近压头尖端的局部网格划分精细,远离压头的区域划分为渐进稀疏网格。通过网格收敛性分析和远场无关性分析,最终确定压头和被压材料分别划分为2500个和8100个轴对称四边形单元。根据S45C钢的标准单轴拉伸实验结果获得反映材料本构关系的真实应力-应变曲线,作为有限元仿真的输入。S45C钢的弹性模量为201GPa,泊松比为0.28。压头定义为弹性体,弹性模量为1141GPa,泊松比为0.07。压头和被压材料的接触定义为无摩擦。S45C钢压入仿真计算采用大变形理论。图3为圆锥压头压入S45C钢的载荷-位移曲线,相关参数及弹性模量识别结果[7]见表1。

3 S45C仪器化压入实验

按照国际标准ISO14577[13]的要求制备S45C钢仪器化压入标准试样块。采用自行研制的具有完全自主知识产权的“微压入仪”[14]实施S45C钢仪器化压入实验,所用四棱锥Vickers压头的面角已经过标定。加载阶段的加载速率为0.5N/s,最大压入载荷为50N;保载30s;卸载阶段的卸载速率与加载速率保持一致,为0.5N/s。按照上述压入要求,重复实验5次,压痕之间保持适当距离,避免实验结果相互干扰。S45C钢5次仪器化压入实验所得到的原始载荷-位移曲线如图4所示。蠕变、柔度校准后得到真实压入曲线如图5所示,可以看出S45C钢5次仪器化压入载荷-位移曲线重合度很好,这表明“微压入仪”测试精度很高。真实压入载荷-位移曲线的相关数据及弹性模量识别结果[7]见表2。

4 S45C仪器化压入有限元仿真与实验比较

S45C钢仪器化压入有限元仿真载荷-位移曲线与5次仪器化压入真实载荷-位移曲线对比,如图6所示,三角形数据点组成的曲线为仿真载荷-位移曲线,其它曲线为5次仪器化压入真实载荷-位移曲线。可以看出,S45C钢仪器化压入仿真载荷-位移曲线与真实压入载荷-位移曲线能够较好吻合,表明有限元仿真结果真实可信。

S45C钢有限元仿真结果与5次仪器化压入实验平均结果相比较,最大压入深度相同的情况下,仿真最大压入载荷Pm与实验平均结果之差为3.69%,导致仿真名义硬度Hn与实验平均结果之间存在3.34%的差别,结合仿真比功We/Wt与实验平均结果之差8.95%,使得有限元仿真结果和实验结果识别的弹性模量平均值之间存在1.85%的差别。上述结果表明,S45C钢仪器化压入仿真结果与仪器化压入实验结果能够较好吻合。S45C钢弹性模量仿真识别结果和实验识别结果与标准单轴拉伸实验结果之差分别为2.28%和4.21%,这完全满足工程应用要求。

5结语

医学有限元仿真实验 篇4

关键词：医学物理学,计算机仿真实验,教学模式

计算机仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境, 其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备, 通过操作这些虚拟的实验仪器或设备, 即可进行各种实验, 达到与真实实验相一致的教学要求和目的。尤其是对那些具有破坏性或超负荷的成本高、难度大、危险大的医学物理学实验, 利用计算机仿真技术可以取得事半功倍的效果。学生通过这种仿真实验所得到的实践能力往往要比在实际实验中获得的更多、更快。也就是说, 这种新教育技术的发展必然会给传统的传授知识、培养能力的教学手段带来重大的变革。

1 计算机仿真实验的优势

笔者通过对医学物理学计算机仿真实验教学的深入研究, 并尝试应用于教学实践, 发现了计算机仿真实验在教学中的特殊作用。

1.1 仿真实验的运用改变了传统的实验教学模式, 推进实验教学向科学化、现代化方向发展[1]

传统的实验教学过程中学生在很大程度上是处于被动状态的。对于一些复杂的实验, 通过教师的讲述和学生有限时间的操作, 学生很难将实验仪器及实验过程完全弄清楚, 更谈不上对实验进行发挥、创造和运用。因此, 传统的实验教学模式不但受时间和空间的限制比较大, 而且缺少对学生学习兴趣的激励, 实验效果大打折扣。仿真实验将实验室搬上了计算机, 学生通过操作鼠标和键盘就能够了解实验仪器、实验原理、实验内容, 并进行实验操作, 观察实验现象, 收集数据, 分析数据, 最终得出结论等, 其实验效果等同甚至优于在真实环境中所取得的实验效果。图文并茂的仿真实验界面和较好的人机交互功能极大地调动了学生的学习兴趣, 提高了其学习效率。

1.2 节省实验经费, 保证实验项目和数量

有些实验耗资大, 实验仪器昂贵, 操作复杂, 很多学校没有能力开设, 而这些实验往往与当前先进的科学技术密切相关, 是需要学生去亲眼观察、亲手实践的。利用先进的计算机仿真技术就可以弥补这方面的不足。如今, 人们不仅能利用仿真技术模拟出各种实验仪器的三维图形, 还能让仿真实验的操作者对仪器的关键部位进行拆除, 对内部部件进行“解剖”, 在实验过程中实时观察仪器的指标和实验现象, 制作出来的虚拟仪器和仿真实验能够达到与真实实验类似的效果。有了计算机和良好的实验仿真软件, 那些耗资巨大的实验就可以开设了, 从而保证了实验的项目和数量。

1.3 仿真实验与传统实验教学相结合能大大提高实验教学的质量

仿真实验是计算机技术飞速发展的产物, 是一种现代化的教学手段。教师可以先用仿真实验进行预习, 待学生熟悉实验仪器、实验原理、实验内容和实验操作, 对实验有一定感性认识后再进行实际操作, 课后学生也可用仿真实验系统对实验进行复习。这样既可以加深学生对实验的理解, 提高实验质量, 也能使学生亲自动手操作, 从而提高实验效率。仿真实验与实际实验操作相结合是今后实验教学发展的趋势。

1.4 计算机仿真实验有利于培养学生的创新能力[2]

计算机仿真实验具有很强的开放性, 通过提供不同的仿真软件, 学生可以充分发挥自身的想像力和创造力, 自由组合元器件, 随时更新元器件参数, 设计实验目的, 观察实验过程, 实现自己的想法, 达到自己的目的, 提高自己的动手能力、思维能力和实践能力。因此, 计算机仿真实验能够使学生在获取新知识的同时, 得到启发;在增强实践能力、动手能力的同时, 加强了创新能力的培养, 这是过去传统实验所无法比拟的。

2 存在的问题

仿真实验以仿真的仪器为主要器材, 它所模拟的元器件、仪器仪表和系统功能与真实的硬件仍然存在一定的差异。

2.1 削弱学生对仪器的真实感受和对学生基本技能的训练

著名的英国卡文迪许实验室原则是:“用最简单的仪器做出最好的结果”。这也是在实验教学中应使学生树立的信念。教师应使学生培养良好的动手能力和养成利用简单设备及代用品筹划实验的习惯。在进行计算机仿真实验的过程中, 学生将注意力集中在计算机操作上, 从而淡化了对基本技能的训练, 妨碍了学生利用现代设备进行探索和实验。

实验教学大纲要求学生能掌握各种常见仪器的操作技术, 这就要保证学生对真实仪器有足够的操作次数, 而一味地使用计算机仿真实验会减弱学生对仪器的真实感受能力和基本技能的训练程度。另外, 在进行实验仪器间的配接时一般要考虑接触是否良好。例如, 电学实验中导线间接触不良也会影响实验现象, 在实验操作过程中, 一些不必要的牵动、不正确的操作习惯和思维盲点都会直接影响到实验结果, 而计算机仿真实验在这方面的影响却很小, 这也会造成学生基本技能的缺乏。

2.2 不利于培养学生应对突发事件的能力

在实验中遇到仪器故障、突发事件, 会增加学生克服困难的训练机会, 提高学生解决问题的能力。而计算机仿真实验的条件相对理想, 它减少了学生应对突发事件、排除故障以及对实验仪器的常规检修的机会。另外, 在实验教学中, 不管教学课件制作的多么完美或详细, 计算机只是起辅助教学的作用, 无法取代教师的指导作用。学生和教师交流过程中浓厚的人文精神正是现代教育思想所要强调的。在实验过程中, 学生如果只和一堆机器打交道, 缺乏与教师的交流, 也不利于学生的个性成长。

参考文献

[1]张冰.计算机仿真实验的教学应用及发展前景[J].理工高教研究, 2005 (3) :120~122.

医学有限元仿真实验 篇5

医学影像学中影像技术是教学中的重要组成部分,医学影像学技术的核心是为临床提供含有最大信息量的图像,协助临床医生对疾病做出正确的诊断[1],基础理论知识、基本实践技能,是学生掌握不同的影像技术的坚强后盾,为他们日后充分自如地在临床工作中更好地为患者服务、为临床工作服务打下基础[2]。实验教学作为实践教育的主要组成部分之一,对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力有着不可替代的作用。实验教学不仅能够理解巩固理论教学内容和增加感性认识,帮助学生感受、理解知识的产生和发展过程,而且能够学习和掌握必要的影像设备工程技术、影像成像原理、先进设备和学科的基本研究方法,培养学生的科学精神、动手能力和创新能力,是影像医学生从理论学习走向临床实践的一个过渡阶段。以计算机网络为实验环境,将X线原理实习课、CT原理实习课、MR原理实习课,大量、系统的经病理或临床证实的病例实现影像医学资源共享。采用学生互动、师生互动的网络形式,建立高效的运行机制,激励学生自主学习,自主设计实验,创造个性化学习的环境。

1 材料与方法

1.1 材料

校园网主干为万兆,连接桌面信息点全部为百兆。全网采用的是锐捷产品,服务器近40台,采用2台8610交换机做核心设备,3台7606和2台57系列交换机作为汇聚设备,出口路由采用的是锐捷的NPE50-40可以提供≥200万并发NAT会话数量,2台1600防火墙分别放在出口和服务器群前面,保证了网络的安全。采用3台IDS设备很好的保证了对异常流量的监控,全网的GSN安全解决方式保证了用户网络的安全。客户机为30台联想台式计算机(CPU Intel Pentium4 516主频2.93 GHz、二级缓存1 MB、800 MHz前端总线、内存256 MB、80 GB SATA硬盘、17英寸液晶显示器);操作系统为Microsoft Windows XP。

1.2 方法

1.2.1 建立医学影像资源库

笔者主要通过附属医院和自己制作多媒体课件,共收集了200多种影像类别、300余病例、30 000余幅图像和医学物理学、医学影像物理学、医用电子学、影像设备学、物理学课程教学课件。在基础实践教学有X线原理实习课、CT原理实习课、MR原理实习课等。诊断实践教学有病例讨论课模块:神经系统病例讨论课,五官及颈部病例讨论课,呼吸系统病例讨论课,循环系统病例讨论课,消化系统病例讨论课,泌尿系统病例讨论课,生殖系统病例讨论课,骨、关节和软组织病例讨论课,乳腺、肾上腺及腹膜后肿瘤病例讨论课,介入放射学病例讨论课。教学互动形式活泼、操作方便。

1.2.2 实验系统网络技术

1.2.2. 1 P2P网络视频流媒体技术

通过直接信息交换,共享计算机资源和服务,对等计算机兼有客户机和服务器的功能,各对等计算机之间通过直接互联实现信息、处理器、存储甚至高速缓存等资源的全面共享,无需依赖集中式服务器支持,消除信息孤岛和资源孤岛。

1.2.2. 2 计算机协同交互技术

计算机网络和多媒体环境下,一个群体协同工作完成一项共同的任务,它的目标是要设计支持各种各样的协同工作的应用系统。CSCW技术在中心实验教学中的成功应用,为在时空上分散的师生提供了一个“互视”和“同步”的协同工作仿真环境,达到了良好的教学效果。

1.2.2. 3 基于Web Service的虚拟展示技术

Web Service是将软件做成服务,遵从相应的标准,让不同的系统可以跨平台,彼此相互兼容,具有无缝通信和数据共享的能力。Web Service技术通过结构化的XML文档,采用标准网络协议,能够方便快捷准确地传递信息、交换数据,实现信息资源的有效整合。基于Web Service的虚拟展示技术在中心实验教学中的应用,为学生提供了丰富的数字仿真医学影像知识,丰富的教学手段与内容。

1.2.2. 4 基于DICOM 3.0标准的影像传输与处理技术

DICOM3.0是一个通用的标准,是允许医学图像在检查仪器、电脑和医院之间进行交换的一组规则,能满足高速传输图像、文字、表格、数据、动态图像以及声音的需要[3,4,5]。所有病例图像在其存储、传输以及显示的过程中都是完全遵循DICOM 3.0标准,可以达到完美的无失真效果,并能在客户端实现对图像进行自如的数字化操作。

2 结果

2.1 数字化实验系统平台组件

系统组件包括2个服务器房,多媒体电子阅片室(共30台计算机)。软件系统部署在服务器上,具备图像上传、图像管理、图像检索与浏览、实验报告提交、教师批阅等功能。实验课程以及与实验课程相关的《医学影像学》网络课件、医学影像学教学网站、医学影像网络教学资源库、自己制作的多媒体课件等均以数字信息的形式在网上发布。实验教学图像资源按设备分X线、CT、MRI、核医学、超声5个大类,各大类按人体系统分呼吸、循环、消化、泌尿、生殖、骨关节、中枢神经、五官、内分泌9个部分;数据库内录入了3万多图像及文本资料。客户端通过IE浏览器访问服务器,实行内网完全开放、外网授权开放的管理办法,方便学生上网实验,该系统还具备其他多媒体教学系统、资源库的共同优点[6]。

2.2 数字化实验系统在教学中的应用

2.2.1 基础实验教学

学生在数字化实验系统教学平台进行基础实验时,操作简便,会使用计算机就会使用本系统,实现了培养动手能力,学习实验技能,深化物理知识的目的,实验中待测的物理量可以随机产生,以适应同时实验的不同学生和同一学生的不同次操作,见图1。对实验误差也进行了模拟,以评价实验质量的优劣,见图2。

2.2.2 临床实践教学

系统平台临床实践部分由12个模块组成,涵盖了医学影像的各个范畴,收集了300余病例、30 000余幅图像里都是经过精选并经病理学检查证实的病例,重点以常见病多发病为主,罕少见病及误诊病例亦属重要组成部分,具有全文查找功能,分类索引功能和标题分类进行内容检索,见图3。以同病异影,异病同影,同病不同的检查手段,各自的影像特点,诊断与鉴别诊断要点加以描述比较,以图为主,描述为辅,以求达到图文并茂,简捷明了。在网上不但可自主实验,还可在学生与学生之间展开合作实验,如多名学生可远程共同完成某个病例的报告书写,而且学生与学生同时还可有老师参与的情况下开展一些探索性的实验,如总结某个病种的发病规律及影像学特点,见图4。

3 讨论

为实现教育部提倡的“自主型学习、创新型学习”宗旨,利用医学影像存档与通讯系统(Picture Archive and Communication System,PACS)进行医学影像学教学也成为医学影像学教学方法改革和创新的一种新的趋势[3,6]。笔者确立了“以医工结合为基础,以计算机网络为实验教学平台,将医学影像知识以数字仿真的形式传给学生”的教学改革新思路。通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体,通过对实验环境的模拟,加强学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解,并加强对仪器功能和使用方法的训练,培养设计思考能力和比较判断能力,可以达到实际实验难以实现的效果,对不同年级不同专业的医学生有不同的实验方案与实验项目,同时学生还可在网上开展实验,实施个性化实验教学,对启迪学生科学思维和培养创新意识有积极的意义。该系统还具备其他多媒体教学系统、资源库的共同优点[7,8]。数字化实验系统充分发挥了学生为学习主体的功能,数字化仿真实验系统具有很强的实践性,将以前的学生跟着学校走的教学模式转换成学校跟着学生走的新模式,是将医学影像知识以数字化仿真的形式传给学生的教学改革新思路,通过这种形式,学生的影像知识得到了逐步提高。

摘要：目的:探讨医学影像学数字化实验平台在教学中的优势。方法:以4大网络技术为主要载体和工具[P2P网络视频流媒体技术、协同交互技术(CSCW)、基于Web Service的虚拟展示技术、基于DICOM 3.0标准的影像传输与处理技术]将病例胶片转化为数字格式,把医学影像学理论课件和自制多媒体实验课件存储于服务器中,建立数字化实验教学平台。结果:建立具备仿真实验操作、病例图像检索与浏览、实验报告提交、教师批阅等功能的影像学资料库,在客户端利用IE浏览器调阅相关资料进行实验教学。结论:改革影像学实习模式,调动学生的主观能动性,加强学生的实际动手能力。系统具有操作方便、直观、互动性好、安全可靠等优点。充分利用现代网络平台对医学影像学实习课进行教学,能够提高学生的实习效率。

关键词：仿真,数字化,医学影像学,实验教学,教学平台

参考文献

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