Ansys應用：臨床骨科中應用的有限元分析法-新理論與新進展

2017-03-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

目前,有限元分析在骨生物力學研究、內(nèi)固定材料研究、骨科疾病病理機制研究等方面的應用已越來越廣泛。

幾何模型的建立

將CT、核磁共振成像等二維的斷層影像數(shù)據(jù),導入Mimics中,通過閾值分割、區(qū)域增長、空腔填充和三維建模等步驟獲取人體幾何模型。

再通過geomagic等軟件對模型進行修改,使分析模型盡可能的是由光滑面或體構成。

劃分有限元網(wǎng)格

有限元網(wǎng)格劃分就是將整體劃分為個體進行分析,最后將個體集合為整體進行研究。其中有限元網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的精度, 主要表現(xiàn)在以下3方面:①幾何模型結(jié)構細節(jié)處理。 ②網(wǎng)格劃分密度。③網(wǎng)格過渡。

一般會把重建三維分析模型劃分成有限個四面體或六面體,這樣就會造成分離出來的正面體 (正四面體或正六面體)變形,其后果即是越發(fā)加強了對有限元網(wǎng)格劃分這一操作的質(zhì)量要求。

骨骼材料屬性定義

現(xiàn)在對骨組織的屬性賦值主要是依據(jù)其CT值計算出骨密度值,再對骨組織進行劃分有限元網(wǎng)格單元,根據(jù)每個網(wǎng)格單位CT值來對骨組織的屬性賦值,從而描述骨的生物力學特性。

確定邊界條件

人體骨骼的承載和運動是和其周圍的肌肉等相關組織分不開的,由于這些結(jié)構之間的配合比較復雜,要建立一個完整的有限元分析模型是比較困難的。所以,為了便于分析求解往往會簡化分析模型。待簡化之后明確正確的邊界條件也是有限元分析的重要環(huán)節(jié)之一。

分析與結(jié)果驗證

分析作為有限元分析仿真的執(zhí)行環(huán)節(jié),主要工作是確定一種適合分析模型本身的有限元算法,為了證實分析所得到的結(jié)果是否正確,需要利用所掌握的相關知識結(jié)合臨床綜合分析,或者進行可行性實驗進行反復驗證并分析,得到相對客觀數(shù)據(jù),從而歸納并分析得出其一般規(guī)律,提高所得數(shù)據(jù)的可信度。

有限元分析在脊柱骨折研究領域的應用

利用有限元分析法可以對脊柱骨折的生物力學功能和致病機制等進行研究及評價。

Silve等通過有限元法證實進行椎弓根螺釘置入時,皮質(zhì)骨提供的強度占椎體強度的10%,在相對較高的壓力載荷下,終板中下方的松質(zhì)骨發(fā)生骨折時,椎體的強度明顯下降,而骨內(nèi)壓則隨之升高。

Cao等建立了三椎體腰椎有限元分析模型,分析結(jié)果標明34%的椎體壓縮骨折發(fā)生在上終板或下終板附近,而63%的椎體壓縮骨折發(fā)生在上下終板之間。結(jié)果認為骨折的發(fā)生與負荷類型沒有關系, 而與皮質(zhì)骨的彈性模量成正比例關系,與松質(zhì)骨的彈性模量成反比例關系。

Dall Ara等通過非線性解剖特異的定量CT數(shù)據(jù)位依據(jù)建立的有限元分析模型,預測了體內(nèi)椎體的力量。隨后應用離體實驗驗證了該模型的正確性。

Matsuura等利用標本研究得出有限元分析可能是預測椎體成形術后帶來的原位椎體骨折應力負荷的有用工具。

有限元分析在關節(jié)置換中的應用

有限元分析技術為了解關節(jié)置換患者術前關節(jié)功能狀態(tài)、術中假體的選擇、術后預測提供了一種全新的方法。

Chang等通過對正常股骨頭外形進行有限元分析后,建議將假體股骨柄的股骨頸設計成相對較細,距股骨頭頂端相對較短的形態(tài),其理論依據(jù)是這樣可以適當減少對周圍骨質(zhì)的破壞,從而減少骨結(jié)構重塑,同時假體穩(wěn)定性可以保障。

Patil等通過有限元法分析全髖關節(jié)置換后髖關節(jié)的應力分布表明,當髖臼杯外展角由35° 增加到55°時,髖關節(jié)內(nèi)應力會逐步上升,其磨損程度也會增大;而隨著髖臼杯的前傾角的增大,髖關節(jié)內(nèi)應力會逐漸減小。從而論證得出髖臼杯置入位置和其磨損存在必然的聯(lián)系。

Sakagoshi等利用有限元分析法技術來研究股骨頭壞死面積、術中假體安放位置與髖關節(jié)置換后生物力學的變化三者之間的關系, 其實驗出現(xiàn)隨著股骨頭壞死面積的增大,骨-骨水泥界面的應力會逐漸增大;當假體內(nèi)傾角處于內(nèi)翻位時,骨水泥的最大應力增加。內(nèi)傾角110°逐漸增大至 140°時,假體的峰值應力逐步減小,從而論證出股骨頭壞死面積大節(jié)假體的三維有限元模型,在股骨頭中心加大關節(jié)面負荷量,采用非線性接觸彈塑性分析聚乙烯內(nèi)襯關節(jié)面的接觸應力。從而證實表明,選擇股骨頭直徑相對較大的髖臼假體,并嚴格控制假體置入在安全范圍內(nèi),術后減少上小與假體位置不當均是影響髖關節(jié)置換后生物力學環(huán)境的重要因素。

有限元分析在四肢與骨盆骨折中的應用

有限元分析法可以在四肢骨折固定方式選擇以及術后對固定效果的評價提供相應依據(jù)。

Bresina等在1995年用有限元分析評估點狀內(nèi)固定(PC-Fix)系統(tǒng)的內(nèi)固定效果;

Rogge等通過對橈骨遠端骨折的三維有限元模型采用不同內(nèi)固定方式所產(chǎn)生的不同生物力學特征進行分析,從而以尋找出最優(yōu)固定方式。

Qian等在尸體實驗中研究發(fā)現(xiàn)厚度、極限載荷和極限應變在更大的近端部分伸肌,機械性能的變化可能會影響預測力的傳輸,術前建模時應考慮伸肌裝置的作用予以建模。既往骨盆骨折的治療是基于廣泛的臨床經(jīng)驗。

Fan 等在有限元模型的基礎上,對3種固定系統(tǒng)的生物力學通過有效強度水平、壓力分布、力轉(zhuǎn)移,沿骨折線位移進行評估,發(fā)現(xiàn)所有3個固定系統(tǒng)可以用來獲得有效的功能結(jié)果。前柱鋼板結(jié)合四邊形螺釘是最優(yōu)方法丁字形的髖臼的骨折。這個固定系統(tǒng)可以減少很多與其他固定系統(tǒng)有關風險和限制。

有限元分析在病理機制方面的研究應用

Chen等在 2003年,通過有限元分析對于糖尿病患者足底應力分布改變進行了研究,這對于矯形支具的設計和材料選擇都有很大的幫助。

Goto等運用壓縮屈曲理論, 通過有限元仿真分析模擬出脊柱側(cè)凸形成的過程,研究其病理機制。

Campoli等研究股骨的形狀和密度分布及其振動固有頻率之間的關系,得出形狀和密度可能導致大型計算固有頻率的變化,不同的有限元模型需要準確估計骨的自然頻率。

有限元分析在骨應力分析中的應用

采用有限元分析技術對正常步態(tài)下足踝部的解剖結(jié)構和力學接觸特點進行研究,從而獲取足踝部在各種受力情況下各關節(jié)面之間接觸應力情況、應力分布部位以及應力值。也可對踝關節(jié)骨折術后導致創(chuàng)傷性關節(jié)炎、退行性病變等并發(fā)癥采用建立有限元分析模型來進行力學分析。

黃諸侯等對跟骨的應力分析表明,在踝關節(jié)中立位,足背伸20°時,跟骨應力最大點為跟距外側(cè)的關節(jié)面與由內(nèi)后斜向前外方向的相交處,除此之外后距關節(jié)面和跟腱之間的部位承受應力也相對較大。

有限元分析在骨科中的發(fā)展方向

過去對骨的力學分析中,由于人體骨骼周圍環(huán)境的復雜,其周圍的肌肉、骨連接等,對骨骼受力均有影響,對其進行數(shù)據(jù)分析時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)量過大處理困難的問題。故通常在分析時都會采用簡化模型的方法來處理, 或者把一些影響因素轉(zhuǎn)換成載荷或約束來進行分析,這樣必然會影響結(jié)果的精準性。

隨著計算機技術的飛速發(fā)展,并行運算技術的廣泛應用,和GUP 圖形加速卡的出現(xiàn)使得個人超級計算機成為可能,有限元分析運用的領域也越來越廣泛,它不再局限于對單個實體進行處理,而是可以處理包括多部件類似裝配體形式的分析模型。

Pang等對跟骨接骨板、螺釘和骨等形成的裝配體進行研究發(fā)現(xiàn)在相同的載荷作用下的模型。跟骨的最大主應力集中在皮質(zhì)骨支撐斜面,且跟骨的最大主應力和內(nèi)固定系統(tǒng)與支撐螺釘固定模型中是小于無需支撐螺釘固定模型的,支撐螺釘固定模型中的應力更分散。這些為處理復雜非線性接觸問題創(chuàng)造了條件,同時為研制和選擇符合個體化生物力學的內(nèi)(外)固定材料,并為一些退行性疾病的發(fā)生發(fā)展機制的研究提供更為精準參考。

Rotariu等在對復雜下肢截肢的患者步態(tài)周期進行分析研究得出有限元分析有助于選擇合適假肢并為設計出合適的假肢也提供了良好的條件。

Choi等應用有限元分析研究納米醫(yī)學中單個細胞的力學。

有限元分析在骨科研究領域的優(yōu)勢及劣勢

精確的診斷和正規(guī)的治療計劃對獲得良好功能及較好遠期療效是很重要的,有限元分析通過計算機可自動提供三維圖像,同時可給予不同的實驗條件,進行反復模擬實驗分析,快速獲取完整多樣的結(jié)果數(shù)據(jù), 從而在術前發(fā)現(xiàn)潛在的問題,研究模型表面和內(nèi)部區(qū)域應力-應變狀態(tài)的變化。這些均可以為選擇合適的植入物,減少偏差,從而為術中因植入物選擇等問題節(jié)省部分手術時間,同時在手術結(jié)束后可以對術后效果進行有效評價。

有限元分析大多數(shù)為靜態(tài)分析其應力-應變分布的狀態(tài),有限元方法在運動中的生物力學分析稍顯不足,這使仿真分析的準確度和效率降低。在分析仿真的過程中,其結(jié)果本身的精確度受到很多因數(shù)的影響。例如,有限單元的劃分對仿真計算結(jié)果的精度影響就很大。合理的單元形狀和尺寸能極大提高分析結(jié)果的精度和可行度,反之則影響精度,甚至造成分析仿真過程失敗。其次,因為骨折的骨折線是隨機變化,因此不可能找到一個通用骨折固定系統(tǒng),而有限元分析是針對個體案例的生物力學分析,故在應用上不易普及。

結(jié)論

有限元分析是一門成熟的學科,它在骨科中的應用從過去的靜態(tài)分析發(fā)展到現(xiàn)在的動態(tài)仿真;

從單個簡單模型發(fā)展到現(xiàn)在的多模型、復雜模型的接觸分析;

從線性分析發(fā)展到現(xiàn)在的非線性接觸或材料分析;

從單物理場發(fā)展到多物理場耦合分析。

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