膝關節(jié)有限元模型建立運用進展

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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變及提升轉(zhuǎn)變率，是下一個課題。

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