摘要：本文针对生物医学工程课程教学中的流体力学问题，提出将CFD仿真应用到教学中，并通过案例分析展示了这种辅助教学方法的优势。学生不仅可以更为直观地了解课程内容，理解抽象概念，还可以充分认识到在生物医学工程领域中工程科学的重要性。
关键词：CFD仿真；生物医学工程；课程教学
生物医学工程是一门多学科交叉的边缘学科，涵盖的知识面不仅包括生命科学和医学研究，还涉及了大量工程领域的技术和方法。因此，在许多生物医学工程课程学习过程中，需要以工科的思维方式去理解生物和医学方面的专业知识，从而强化对生物医学工程内涵的认同，提高理论学习和工程实践的能力。
一、CFD仿真概述
CFD（Computational Fluid Dynamics），即计算流体力学，是流体力学与数值计算科学相结合的产物。CFD仿真则是在计算流体力学理论研究的基础上，应用计算机模拟的方法获得流体在特定条件下的近似流动信息，相关方法和技术已广泛应用于能源动力、汽车、土木工程、航空航天等领域。CFD仿真通常是采用CFD软件来进行模型计算与流动分析的。CFD软件包括前处理模块、求解器和后处理模块三部分。目前，应用较为广泛的商用CFD软件包括：ANSYS-CFX、ANSYS-Fluent、ADINA、COMSOL等。用户可以根据实际流体流动特点、边界条件处理、耦合情况等选择适合的CFD软件或求解器。
二、CFD仿真在生物医学工程课程教学中的应用
作为一门高度交叉的学科，生物医学工程在知识融合程度方面是异常突出的。无论学科数量、范围和层次都是大多数其他学科无法企及的。其中，工程科学在生物医学工程这门学科中占有至关重要的地位。许多工程领域的技术和方法，在生物医学工程领域随处可见，包括电子学、计算机科学、机械工程等，都与疾病预防、诊断和治疗，以及康复服务等实现了完美结合。生物医学工程课程也不只是局限于医学和生物知识，而是涵盖了大量的工程技术方法。因此，生物医学工程的大多数课程本身也带有高度的交叉色彩和浓厚的技术气息。传统的单学科（如纯医学、纯生物）教学模式经常已无法满足要求，需要借助其他手段展示课程内容，帮助学生理解生物医学工程领域的技术和新兴事物。其中，有许多内容涉及到流体力学方面的知识，包括血流医学、物质输送，以及心血管方面的医疗器械等。传统上，这部分知识要点都是通过一些血流、心脏的示意图展示出人体内部的物质流动或者器械的运行特征，并未深入地揭示流动的力学特性，使得学生对知识点的认识是片面的。CFD仿真则可以在计算分析这些流体力学案例的同时，通过直观的后处理结果呈现出流动与医学现象的关系。比如针对与血流医学相关的课程，可基于医学临床影像资料，利用CFD仿真技术处理图像区域，得到重建后的血管模型。通过CFD软件分析三维血管模型，求解出近似真实体内环境的血液流动情况。学生通过可视化结果，可以了解到不同条件下血流运动的场景和轨迹，并初步评估血流特征，理解健康与非健康血流的特征区别。在与物质（药物、营养物质等）输送和医疗器械相关的课程教学中，同样也可以采用类似的CFD仿真方法。
三、教学案例分析
以人工血泵为例。人工血泵是用来代替心脏工作的小型人造泵。在涉及人体替代装置的生物医学工程课程中都会提到这种重要的医疗器械。传统教学过程中，学生只能看到常见的人工血泵外形图或模型，如图1所示，并不能了解血泵在运行过程中的血流情况和关键的溶血凝血现象。

图1某人工血泵三维模型示意图（上海儿童医学中心提供）
借助ANSYS-CFX软件，即可得到血泵内部的流动特征，并确定出现溶血凝血的关键区域（壁面剪切力大），如图2所示。

图2某人工血泵流线图（左）和壁面剪切力分布图（右）（上海儿童医学中心提供）
从教学案例可以看出，CFD仿真与生物医学工程课程教学的结合，具有明显优势：
1.CFD仿真具有更为直观的图形显示功能，将抽象的生物医学概念形象化，使得学生更能有效地将理论结合实际，调动了学生学习知识的兴趣。
2.采用CFD仿真分析课程中的具体问题，需要对该部分的课程内容或者仪器设备的原理有深入的认识。通过引导学生分析、讨论甚至参与CFD仿真案例，可以提高学生的工科思维能力和解决实际问题的能力。
四、结束语
在生物医学工程课程教学中引入CFD仿真技术，可以将与流动有关的医学概念和医学现象更为直观、形象地展示出来，有效地提高了教学的质量。同时，通过CFD仿真辅助教学，可引导学生更多地从工科的角度去思考生物医学问题，领会生物医学工程的内涵。
参考文献
[1]王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.
[2][美]安德森.计算流体力学入门[M].北京:清华大学出版社,2010.
[3]邓玉林,李勤.生物医学工程学[M].北京:科学出版社,2013.
[4][美]多马克.生物医学工程概论[M].西安:西安交通大学出版社,2010.
[5]刘大为.临床血流动力学[M].北京:人民卫生出版社,2013.
[6]葛斌.人体机能替代装置[M].北京:科学出版社,2017.
Application of CFD Simulation in the Curriculum Teaching of Biomedical Engineering
YANG Ge-er,HOU Xiao-bei,CHENG Hong-tao,LV Jie
(Shanghai University of Medicine＆Health Sciences,Shanghai201318,China)
Abstract:For the fluid mechanics problems in the curriculum teaching of biomedical engineering,the CFD simulation is applied to the curriculum teaching,and the advantages of this auxiliary teaching method are demonstrated through case studies.Students can not only understand the course content more intuitively,understand the abstract concept,but also fully realize the importance of engineering science in the field of biomedical engineering.
Key words:CFD simulation;Biomedical engineering;Curriculum teaching