有限元技术在生物力学中的应用

2001年，《力学进展》杂志社评选出“20世纪理论和应用力学十大进展”，其中“有限元方法”以绝对高票当选第一名。有限元方法（Finite element method，FEM）是20世纪60年代逐渐发展起来的对连续体力学和物理问题的一种新的数值求解方法，其主要思路在于，对所要求解的力学或物理问题，通过有限元素的划分将连续体的无限自由度离散为有限自由度，从而基于变分原理或用其他方法将其归结为代数方程组求解。这次评选结果的第三名为“生物力学的创立”。现代生物力学，发端于20世纪60年代后期，其内涵是力学方法和生物学方法相结合，研究从个体到生物大分子不同层次的生命体的结构 功能的定量关系。

在近半个世纪的发展中，生物力学根据所研究的目标、层次与方法等衍生出多个学科分支，其中肌骨系统的生物力学研究与临床结合最为密切。有限元方法应用于骨生物力学，对骨生物力学的发展是一次意义重大的革命，使得研究者们能够在不完全依赖成本较高的实验前提下，深入认识在肌骨系统内的应力应变和载荷传递过程。这些认识对人工假体的设计、外科手术规划、康复评估等问题都有很重要的现实意义。由于生物组织的结构和材质与工业中的人工产品有明显不同，其生物力学分析受各种复杂因素的影响也比较大，这为有限元方法的应用带来新的挑战，同时也为有限元方法自身发展带来机遇。

相对来说，我国开展骨生物力学有限元研究开展比较早，尤其最近十几年取得了一定的发展。但是，由于国内医学研究的整体环境和条件限制，大量从事骨生物力学有限元研究的一线人员为医学专业的研究生，或以不同形式与临床医学进行临时合作的工科科研者，很难形成一支稳定的科研队伍。针对当前国内相关研究难以进入更深层次，以及科研人员对有关问题存在误解的现状，笔者将基于学科发展历史与现状，结合文献，对与骨生物力学相关的若干问题进行剖析。