医学图像处理与分析 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:140

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出版时间:2006-8

价格:28.00元

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isbn号码:9787532386208

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《生物力学模型与仿真》 导言 生物体是一个精妙而复杂的系统，其结构、功能以及对内外力的响应，无不体现着精密的物理规律。从宏观的骨骼运动到微观的细胞变形，力学原理贯穿其中，深刻影响着生命现象的发生、发展与调控。随着计算科学的飞速发展，仿真技术已成为理解和研究生物体复杂行为的强大工具。《生物力学模型与仿真》一书，旨在深入探讨如何运用数学建模与计算仿真技术，揭示生命体内的力学奥秘，为生物学、医学、工程学等多个领域的研究提供理论指导和技术支持。 本书并非对已有的生物图像进行直接的像素级分析或算法优化，而是聚焦于构建能够模拟生物体宏观或微观力学行为的数学模型，并通过计算仿真来验证、预测和优化这些模型。它着眼于生命系统内在的物理机制，而非其成像呈现的视觉特征。 第一部分：生物力学基础理论与建模方法 在现代科学研究中，精准的量化分析是理解复杂现象的关键。《生物力学模型与仿真》首先从基础的生物力学理论出发，为读者构建坚实的理论基石。 经典力学原理在生物学中的应用： 本部分将详细阐述牛顿运动定律、应力-应变关系、能量守恒等经典力学概念如何应用于描述生物体的结构强度、形变特性以及运动过程。我们将探讨骨骼、肌肉、软组织等不同生物材料的力学行为，例如骨骼的抗压、抗拉和抗扭能力，肌肉的收缩特性以及血管的弹性与血流动力学。 连续介质力学与生物体建模： 生物体本质上是复杂的连续介质。《生物力学模型与仿真》将深入介绍连续介质力学中的张量分析、本构方程等核心概念，并展示如何将其应用于建立描述生物组织力学响应的模型。例如，如何利用线弹性、黏弹性、超弹性和塑性模型来描述不同生物组织的力学行为，以及如何考虑各向异性、非均匀性和非线性效应。 多物理场耦合模型： 生物体内的许多现象并非孤立的力学过程，往往伴随着流体流动、电信号传递、热量交换等。《生物力学模型与仿真》将重点介绍如何构建多物理场耦合模型，以更真实地模拟生物体的复杂行为。例如，我们将探讨流固耦合模型在心血管系统中的应用，模拟血液流动对血管壁产生的力学载荷，以及血管壁的形变对血流动力学的影响。此外，还将涉及电-力耦合模型在神经肌肉系统中的应用，以及热-力耦合模型在组织损伤和修复过程中的作用。 细胞与组织力学的建模： 微观层面的力学行为对于理解宏观生命现象至关重要。《生物力学模型与仿真》将介绍描述细胞骨架、细胞膜、细胞外基质等微观结构的力学模型。我们将探讨如何利用分子动力学、粗粒化分子动力学等方法来模拟细胞与分子尺度的力学过程，以及如何将这些微观模型耦合到宏观组织模型中，实现多尺度模拟。例如，我们将讨论细胞对力学刺激的响应，如迁移、增殖和分化，以及它们在组织再生和疾病发生中的作用。 多尺度建模策略： 生物体是一个典型的多尺度系统，从分子、细胞到组织、器官，不同尺度的力学行为相互影响。《生物力学模型与仿真》将系统介绍多尺度建模的策略和技术，包括基于模型的耦合方法、基于数据驱动的耦合方法以及混合方法。我们将展示如何将不同尺度的力学模型有效地连接起来，实现对整个生命系统力学行为的综合模拟。 第二部分：生物力学仿真计算方法与软件工具 理论模型需要强大的计算工具来验证和应用。《生物力学模型与仿真》的第二部分将聚焦于实现这些模型的计算方法和相关的软件工具。 有限元方法（FEM）在生物力学中的应用： 有限元法是目前生物力学仿真领域最主流的数值计算方法。《生物力学模型与仿真》将详细介绍有限元法的基本原理，包括单元划分、插值函数、刚度矩阵的建立以及求解过程。我们将通过丰富的实例，展示如何运用有限元法来模拟骨骼的应力分布、关节的接触力学、软组织的变形以及药物在组织内的扩散等。 其他数值计算方法： 除了有限元法，还有其他适用于特定生物力学问题的数值方法。《生物力学模型与仿真》将介绍有限差分法、边界元法、离散元法等，并分析它们在特定问题中的适用性和优缺点。例如，有限差分法在模拟流体动力学问题中的应用，以及离散元法在模拟颗粒材料（如骨小梁）力学行为中的优势。 计算流体动力学（CFD）在生物体内的应用： 流体在生命活动中扮演着至关重要的角色，如血液循环、呼吸、消化等。《生物力学模型与仿真》将详细介绍计算流体动力学（CFD）的基本理论和数值求解方法，并展示其在模拟心血管系统血流动力学、呼吸道气流分布、胃肠道蠕动等方面的应用。我们将讨论如何处理生物流体的非牛顿特性、湍流以及与固体结构的相互作用。 计算材料力学（CCM）在生物材料研究中的应用： 生物材料的微观结构与其宏观力学性能密切相关。《生物力学模型与仿真》将介绍计算材料力学（CCM）的技术，包括分子动力学模拟、量子力学计算以及粗粒化模拟，用于研究生物材料（如蛋白质、DNA、细胞膜）的力学性质。这将为理解生物材料的功能和设计仿生材料提供理论依据。 生物力学仿真软件平台介绍： 实际的生物力学仿真研究离不开强大的软件工具。《生物力学模型与仿真》将对当前主流的商业及开源生物力学仿真软件平台进行介绍，例如ANSYS, Abaqus, COMSOL Multiphysics, Simulia, OpenFOAM等，并分析它们在建模、求解、后处理等方面的特点和应用场景。我们将重点讨论如何根据具体的研究问题选择合适的软件工具，以及如何利用这些平台进行高效的仿真分析。 第三部分：生物力学模型与仿真的应用实例与前沿研究 理论与方法最终要服务于实际问题。《生物力学模型与仿真》的第三部分将通过大量的应用实例，展示生物力学模型与仿真在各个领域的实际价值，并展望未来的前沿研究方向。 骨科与运动生物力学： 骨骼是支撑人体的重要结构，其力学性能与健康密切相关。《生物力学模型与仿真》将重点介绍如何利用生物力学模型与仿真来研究骨折的发生机制、骨骼的生长发育、人工关节的设计与评估、骨质疏松症的风险预测以及运动损伤的机理。例如，我们将讨论如何模拟骨骼在不同载荷下的应力分布，预测骨折发生的位置和可能性，以及优化人工髋关节的设计以延长其使用寿命。 心血管生物力学： 心血管系统是输送血液的关键通路，其力学行为直接影响生理功能。《生物力学模型与仿真》将详细探讨心血管系统的生物力学模型与仿真应用，包括动脉瘤的破裂风险评估、瓣膜病变对血流动力学的影响、人工心脏瓣膜的设计与优化、血管支架的力学稳定性以及微循环的血液流动模拟。 呼吸系统生物力学： 呼吸是维持生命的重要生理过程，其力学机制复杂。《生物力学模型与仿真》将展示如何模拟肺通气过程的力学特性，分析气道塌陷的机制，评估肺部疾病（如哮喘、COPD）对呼吸力学的影响，以及设计呼吸支持设备。 神经科学与神经工程： 神经系统的力学特性对于信号传递和功能实现至关重要。《生物力学模型与仿真》将介绍神经元细胞膜的力学特性、神经轴突在机械刺激下的响应、脑组织在冲击下的动力学行为以及脑深部刺激（DBS）等神经工程技术的力学基础。 组织工程与再生医学： 组织工程和再生医学旨在通过体外构建或修复受损组织，而力学因素在其中扮演着关键角色。《生物力学模型与仿真》将探讨如何利用力学模型来指导细胞培养、支架设计以及组织再生过程。例如，如何通过施加特定的力学刺激来诱导干细胞分化，优化支架材料的力学性能以匹配组织特性，以及预测组织修复过程中的力学重塑。 药物递送与生物材料设计： 力学性质影响着药物在体内的扩散、吸收以及生物材料的生物相容性。《生物力学模型与仿真》将介绍如何利用力学模型来模拟药物在组织内的扩散过程，优化药物递送系统的设计，以及评估生物材料（如缝合线、植入物）的力学性能与其生物学响应之间的关系。 未来发展趋势与挑战： 随着计算能力的提升和多学科交叉的深入，《生物力学模型与仿真》也将展望该领域的未来发展趋势，包括更精确的本构模型、更先进的多尺度与多物理场耦合方法、基于大数据的模型构建与验证、以及与实验技术的紧密结合。同时，还将讨论该领域面临的挑战，如模型参数的获取、计算成本的控制以及仿真结果的临床转化等。 结语 《生物力学模型与仿真》旨在为广大研究者、工程师和学生提供一个系统、深入的生物力学理论与计算仿真学习平台。通过掌握本书的内容，读者将能够构建更精准的生物力学模型，运用先进的计算方法进行仿真分析，从而更深刻地理解生命的奥秘，并在生物医学工程、材料科学、运动科学等领域开展创新性的研究与实践。本书并非关于图像处理的工具书，而是致力于通过物理原理和数学工具，揭示生命体内在的力学规律，为理解和改善人类健康提供新的视角和解决方案。

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