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膝關節(jié)有限元模型建立運用進展

膝關節(jié)有限元模型建立運用進展

發(fā)布日期:2022-06-14 作者:WLT 點擊:

劉強+廖琦【中圖分類號】R318 【文獻標記碼】A 【文章編號】2095-6851(2017)10--01與傳統(tǒng)的試驗生物力學解析相比,擁有可視化、無創(chuàng)性等特征的理論生物力學研發(fā)方式,日漸遭到學者青睞,有限元解析法便是其典型代表[1]。研發(fā)身體膝關節(jié)解剖構造和生物力學特征針對理解骨折產(chǎn)生體制、制訂出手術計劃、術后痊愈和假體設計等擁有首要功效。為了總結膝關節(jié)建模新思路及其有限元解析的運用現(xiàn)狀,預測成長方向,本文就信息獲得方式、首要有關軟件、臨床成果等方面作一綜述。1 膝關節(jié)有限元建模怎樣創(chuàng)建一個確切真切的、可視化的膝關節(jié)有限元模型總是是學者們關心的焦點,是有限元生物力學解析運用于臨床實踐的根基。1.1 有限元法的根本原理有限元法本質(zhì)是一類離散數(shù)學計算方式,全面運用于求解熱傳導、電磁場、流體力學、構造解析等持續(xù)性問題。它是將一個持續(xù)的由無限個質(zhì)點所產(chǎn)生的彈性體,通過絕對的數(shù)學計算法分隔變成有限個人單元,借用有限元軟件在計算機中對原物體進行合成,并對幾何體定論單元型號、給予材質(zhì),進而獲取與所模仿的實際物體相相似的資料質(zhì)地、構造、物理屬性和機器功能,逐漸研發(fā)每個單元,終極到達對彈性體總體進行解析的目標,即基于“化整為零,集零為整”的根本意識[2]。1.2 有限元力學解析過程往往可劃為三方法:一、創(chuàng)建實物的有限元模型;二、邊緣前提和鼓勵、求解;三、查閱結果。將獲得到的膝關節(jié)遠古信息導入Mimics、3D-Doctor等三維建模軟件中,創(chuàng)建目標的幾何模型,再導入Hypermesh、Geogamic等軟件中濾波去噪、光滑、網(wǎng)格化等潤飾圖片,進行有限元解析前解決,接著再導入ANSYS、ABAQUS等有限元解析軟件中,定論單元型號、資料賦值、邊緣束縛及加載、求解等,在后解決器中查閱結果。以上為海內(nèi)大一些文獻創(chuàng)建膝關節(jié)有限元模型、力學解析的常規(guī)過程,一些研發(fā)者用自編軟件完結。因有限元建模的首要信息來歷不同,所用軟件可自己選取,因此現(xiàn)在尚無膝關節(jié)有限元解析的統(tǒng)一路徑,呈多樣性成長態(tài)勢。1.2.1 信息獲得及新思路 常用的建模信息獲得方式首要有三類,即持續(xù)斷層切片法、三維激光掃描法、斷層掃描成像法。持續(xù)斷層切片法:將人尸首組織通過各類解決,使標本固定硬化并予持續(xù)切片,獲得斷面圖片,通過計算機技巧調(diào)整,將二位平面數(shù)據(jù)轉換為三維體成像,獲得人的三維立體構造數(shù)據(jù)[3]。三維激光掃描法:借用三維激光掃描儀對物體進行空間三維丈量、定位,獲得其外表的空間位子點云數(shù)據(jù),再通過軟件把點云再現(xiàn)成三維實體數(shù)字模型。該法因需特殊的三維掃描儀器,且只可獲得外表數(shù)據(jù),現(xiàn)在多用來膝關節(jié)金屬假體的有限元建模[4]。斷層掃描成像法:以計算機X線斷層掃描和核磁共振成像為代表,這兩類方式都擁有無創(chuàng)性、信息易獲得等特征,現(xiàn)在運用最為全面。前者擁有定位準確、掃描層厚薄、速率快等好處,所建模型較精確,于骨骼體系有限元建模中運用更全面[5]。核磁共振成像借用組織中含水率不同,即質(zhì)子振蕩宣泄信號強弱不同顯像,在軟組織顯現(xiàn)方面可補充前者不夠[6]。近年來,多位研發(fā)者綜合上述多種方式的優(yōu)勢,創(chuàng)建了愈加確切牢靠的有限元生物模型。真有人借用CT和MRI圖片配準交融的方式建立身體膝關節(jié)有限元模型,確保了各解剖構造的真正性,并為確切模仿膝關節(jié)生物力學特征供應了條件,是值得借鏡的建模新思路[7]。因CT和MR圖片的配準交融技巧,存在信息獲得時的倫理學問題,掃描時的定位、標定,配準交融時的坐標轉換、變換矩陣、重定位等技巧難點,故較少實際運用于臨床實踐。1.2.2 重建膝關節(jié)數(shù)字化模型的常用軟件 有限元解析所牽扯軟件品種繁瑣,可矯捷選取不同軟件的組合形態(tài)。常用軟件有:Mimics軟件是現(xiàn)在數(shù)字醫(yī)學行業(yè)運用最全面的軟件,它是模塊化構造的、交互式軟件,能夠依據(jù)客戶的不同需要有不同的匹配。它擁有強力的體信息瀏覽性能,可將CT或MRI掃描的二維DICOM信息導入,借用圖片分隔工具提煉感興致領域,重建其三維模型,借用其丈量工具進行身體解剖學解析。其自帶的MedCAD模塊,可創(chuàng)立根本的CAD目標,是其與醫(yī)學影像的橋梁;Simulation模塊可虛擬手術、假體植入,術前便可敵手術進行預料和評價;FEA模塊是有限元解析前解決工具。GeomagicStudio軟件是被全面運用的逆向軟件,可從掃描所得的點云信息創(chuàng)立出完善的多邊形模型和網(wǎng)格,并可智能轉換成NURBS曲面。借用該軟件對圖片進行優(yōu)化解決,擬合曲面,網(wǎng)格區(qū)分,解除模型中不合理的點、面,使所創(chuàng)建的模型愈加好看、舒坦。Hypermesh軟件是一款高功能、高端量、高效益有限元前解決器,它有高度交互的可視化平臺輔助客戶創(chuàng)建有限元模型;供應了全面的與CAD、CAE、CFD軟件插口,供客戶選取,能夠與現(xiàn)有大一些仿生場景無縫連接。其強力的幾何清理本領、高端量高效益的網(wǎng)格技巧、超前的網(wǎng)格扭曲技巧,能大大提升建模的效益和品質(zhì)。該軟件與Geomagic studio軟件是文獻中提及的兩款主流有限元網(wǎng)格優(yōu)化前解決軟件。Ansys軟件和Abaqus軟件是醫(yī)學行業(yè)運用最多的生物力學解析軟件,它們各有所長,有多模塊、牽扯多行業(yè),覆蓋了卻構解析、電熱磁、流體解析等方面。Ansys軟件首要努力于線性解析[8],后者努力于非線性力學解析,能處理構造力學解析較深層級問題。實際工作中,為了簡化計算量,往往咱們會對模型作少量如果,如如果骨頭為同質(zhì)、同向、線性彈性體,忽視骨皮質(zhì)和松質(zhì)的不同,扼要的重建膝關節(jié)的首要韌帶,只可在絕對水平上模仿身體膝關節(jié)的某類機器功能、力學特點。事實上,非線性是更廣泛的情況,故Abaqus軟件在生物力學研發(fā)方面的結果較前者愈加真正、合理、牢靠。2 膝關節(jié)有限元生物力學解析的運用2.1 有限元運用于膝關節(jié)傷害、退變體制研發(fā)膝關節(jié)是身體全身各骨關節(jié)中構造最大、最高難,承受杠桿功效力最強的關節(jié),因為其形式特點的特同性,膝關節(jié)并不十分安穩(wěn),傷害很常見。據(jù)世界衛(wèi)生部統(tǒng)計,膝骨關節(jié)炎在40歲以上人群中總抱病率為28.7%[9],多見于中老年人,是牽連中老年人生存品質(zhì)的首要原因。兩者是膝關節(jié)有限元運用于臨床非手術行業(yè)的首要研發(fā)方向。對膝關節(jié)的生物力學特征進行解析,不單能夠?qū)οリP節(jié)創(chuàng)傷產(chǎn)生的體制進行明確的闡述,況且能夠?qū)υ\療和痊愈提出科學的引導和策劃;可總體上掌控膝骨性關節(jié)炎的病理心理體制,更直觀的解析其易感原因[10]。多位研發(fā)者[11-13]借用膝關節(jié)有限元模型,模仿膝關節(jié)交叉韌帶及半月板傷害,解析其對膝關節(jié)應力的牽連。姚杰等[14]模仿跳傘著陸流程的試驗信息,解析了跳傘員特殊人群膝關節(jié)傷害的機理。張冠軍[15]模仿現(xiàn)實交通事故中膝關節(jié)傷害,對研發(fā)行人下肢傷害體制及其防護方式供應了考慮根據(jù)。有限元解析在研發(fā)膝關節(jié)傷害體制及關節(jié)退變、關節(jié)炎病理心理體制方面的應用,針對有關重病的防治有努力引導功效。2.2 有限元運用于膝關節(jié)手術行業(yè)研發(fā)首要表現(xiàn)在術式選取與手術成效評估、骨折固定器械及假體的力學研發(fā)等方面。骨折造成骨骼得到原有性能及形式,力學功能變化或消散,手術的目標是重建其解剖構造及修復支持性能,借用術前的三維信息重建有限元模型,并在計算機中模仿手術,進行應力解析,理解手術能否能盡也許地修復骨骼原有力學特征,綜合評價多種可行術式的好壞點,利于創(chuàng)建更完美、良好的手術計劃。葉俊星[16]研發(fā)前交叉韌帶重建術后股骨隧道角度對股骨隧道壁碰觸應力的牽連,得出最好股骨隧道角度為25°。劉忠堂[17]對照置換髕骨后對髕股關節(jié)生物力學的牽連,認定術中可選取性地不進行髕骨置換。針對手術所需的骨折固定器械及假體設計,既需要骨折固定切實牢靠,同時應減小應力攔截、并發(fā)術后骨質(zhì)放松危害,故恰當強度的科學設計方利于患者術后痊愈。有限元解析法,能夠?qū)袤w或植入物進行數(shù)字化模仿,定量解析應力場改變,從而優(yōu)化設計計劃。劉利等通過在不同工況、不同夾角狀況下對相近類型配對和不同類型交叉配對的人工膝關節(jié)的對照碰觸解析,研發(fā)了這兩類配對之間的應力聯(lián)系,為人工膝關節(jié)相同類型交叉配對的可行性供應了考慮。張緒樹通過對不同運動狀況下國產(chǎn)人工膝關節(jié)碰觸壓力解析,認定國產(chǎn)人工膝關節(jié)假體適合臨床需要。3 膝關節(jié)有限元解析存在的問題與預測有限元解析擁有可頻頻借用、節(jié)省本錢、可控制性強、牽連原因小等好處。同時,咱們也應看見其不夠:它不過一類數(shù)字化模仿,只可在絕對水平上對解剖構造、力學特點進行仿生;現(xiàn)在尚無驗證膝關節(jié)模型準確性、合感性的統(tǒng)一規(guī)范,存在絕對的客觀性或偏差。綜上述,三維可視化膝關節(jié)有限元模型建立的信息獲得及逆向工程重建方式、途徑多樣,并緊隨計算機技巧和軟件工程的成長,所建立的模型日漸高難、真切,可絕對水平上模仿真正膝關節(jié)的力學特點,為其更全面地運用于臨床奠定了根基。同時,怎樣將其更好地與臨床相結合,實行由根基研發(fā)向臨床運用轉變及提升轉變率,是下一個課題。

考慮文獻Author's reply to Dr Keating's invited commentary[J].Journal of orthopaedic trauma,2013,27(1):42-42.Baldwin MA,Langenderfer JE,Rullkoetter PJ,et al. Development of subjectspecific and statistical shape models of the knee using an efficient segmentation and mesh-morphing approach[J].Computer methods and programs in biomedicine,2010,97(3):232-240.趙美超,鐘世鎮(zhèn)等.創(chuàng)建數(shù)字化虛擬華夏男人一號膝關節(jié)的有限元模型[J].第一軍醫(yī)大學學報,2003,23(6):527-9.李曉淼.全膝關節(jié)假體三維有限元模型的創(chuàng)建[J].華夏組織工程研發(fā)與臨床痊愈,2011,15(13):2304-2308.王光達.膝關節(jié)前交叉韌帶生物力學三維有限元解析[J].中華試驗內(nèi)科雜志,2013,30(4):796-798.Liu,X.,Zhang,M..Redistribution of knee stress using laterally wedged insole intervention:Finite element analysis of knee-ankle-foot complex[J].Clinical biomechanics,2013,28(1):61-67.徐志才,胡廣洪等.脛骨模型對膝關節(jié)有限元解析結果牽連的討論[J].華夏數(shù)字醫(yī)學,2014,9(4):69-72.邱奕雁,忻振凱,曲廣運等.有限元解析在膝關節(jié)翻修脛骨缺損恢復中的運用[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2013,15(1):18-22.李寧華,薛慶云,張毅,等.華夏六都市中老年人群X線膝骨關節(jié)炎盛行病學解析[J].實用醫(yī)學雜志,2008,24(16):2887—2888.Jones,R.K.,Nester,C.J.,Richards,J.D. et al.A comparison of the biomechanical effects of valgus knee braces and lateral wedged insoles in patients with knee osteoarthritis[J].Gait &;posture,2013,37(3):368-372.H R C Bao,D Zhu,H Gong et al.The effect of complete radial lateral meniscus posterior root tear on the knee contact mechanics:a finite element analysis.[J].Journal of orthopaedic science,2013,18(2):256-263.;Smolinski,P.,O'Farrell,M.,Bell,K. et al.Effect of ACL reconstruction tunnels on stress in the distal femur[J].Knee surgery, sports traumatology, arthroscopy,2013,21(4):839-845.Bae JY,Park KS,Seon JK et al.Biomechanical analysis of the effects of medial meniscectomy on degenerative osteoarthritis.[J].Medical and Biological Engineering and Computing,2012,50(1):53-60.姚杰,牛文鑫等.跳傘著陸流程中膝關節(jié)傷害的有限元研發(fā)[J].醫(yī)用生物力學,2010,25(4).張冠軍.行人膝關節(jié)有限元模型的創(chuàng)建與驗證[J].車輛工程,2014,36(9):1068-1073葉俊星.LARS人工韌帶重建膝關節(jié)交叉韌帶的根基與臨床運用研發(fā)[D].姑蘇:姑蘇大學,2013劉忠堂.全膝關節(jié)置換術中能否置換髕骨對髕股關節(jié)生物力學的牽連[D].上海:上海交通大學,2010.


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