膝關(guān)節(jié)有限元模型建立運(yùn)用進(jìn)展

劉強(qiáng)+廖琦【中圖分類號(hào)】R318 【文獻(xiàn)標(biāo)記碼】A 【文章編號(hào)】2095-6851（2017）10--01與傳統(tǒng)的試驗(yàn)生物力學(xué)解析相比，擁有可視化、無(wú)創(chuàng)性等特征的理論生物力學(xué)研發(fā)方式，日漸遭到學(xué)者青睞，有限元解析法便是其典型代表[1]。研發(fā)身體膝關(guān)節(jié)解剖構(gòu)造和生物力學(xué)特征針對(duì)理解骨折產(chǎn)生體制、制訂出手術(shù)計(jì)劃、術(shù)后痊愈和假體設(shè)計(jì)等擁有首要功效。為了總結(jié)膝關(guān)節(jié)建模新思路及其有限元解析的運(yùn)用現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)成長(zhǎng)方向，本文就信息獲得方式、首要有關(guān)軟件、臨床成果等方面作一綜述。1 膝關(guān)節(jié)有限元建模怎樣創(chuàng)建一個(gè)確切真切的、可視化的膝關(guān)節(jié)有限元模型總是是學(xué)者們關(guān)心的焦點(diǎn)，是有限元生物力學(xué)解析運(yùn)用于臨床實(shí)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(xué)計(jì)算方式，全面運(yùn)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)、構(gòu)造解析等持續(xù)性問(wèn)題。它是將一個(gè)持續(xù)的由無(wú)限個(gè)質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的彈性體，通過(guò)絕對(duì)的數(shù)學(xué)計(jì)算法分隔變成有限個(gè)人單元，借用有限元軟件在計(jì)算機(jī)中對(duì)原物體進(jìn)行合成，并對(duì)幾何體定論單元型號(hào)、給予材質(zhì)，進(jìn)而獲取與所模仿的實(shí)際物體相相似的資料質(zhì)地、構(gòu)造、物理屬性和機(jī)器功能，逐漸研發(fā)每個(gè)單元，終極到達(dá)對(duì)彈性體總體進(jìn)行解析的目標(biāo)，即基于“化整為零，集零為整”的根本意識(shí)[2]。1.2 有限元力學(xué)解析過(guò)程往往可劃為三方法：一、創(chuàng)建實(shí)物的有限元模型；二、邊緣前提和鼓勵(lì)、求解；三、查閱結(jié)果。將獲得到的膝關(guān)節(jié)遠(yuǎn)古信息導(dǎo)入Mimics、3D-Doctor等三維建模軟件中，創(chuàng)建目標(biāo)的幾何模型，再導(dǎo)入Hypermesh、Geogamic等軟件中濾波去噪、光滑、網(wǎng)格化等潤(rùn)飾圖片，進(jìn)行有限元解析前解決，接著再導(dǎo)入ANSYS、ABAQUS等有限元解析軟件中，定論單元型號(hào)、資料賦值、邊緣束縛及加載、求解等，在后解決器中查閱結(jié)果。以上為海內(nèi)大一些文獻(xiàn)創(chuàng)建膝關(guān)節(jié)有限元模型、力學(xué)解析的常規(guī)過(guò)程，一些研發(fā)者用自編軟件完結(jié)。因有限元建模的首要信息來(lái)歷不同，所用軟件可自己選取，因此現(xiàn)在尚無(wú)膝關(guān)節(jié)有限元解析的統(tǒng)一路徑，呈多樣性成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。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(guò)各類解決，使標(biāo)本固定硬化并予持續(xù)切片，獲得斷面圖片，通過(guò)計(jì)算機(jī)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(gòu)造數(shù)據(jù)[3]。三維激光掃描法：借用三維激光掃描儀對(duì)物體進(jìn)行空間三維丈量、定位，獲得其外表的空間位子點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過(guò)軟件把點(diǎn)云再現(xiàn)成三維實(shí)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(lái)膝關(guān)節(jié)金屬假體的有限元建模[4]。斷層掃描成像法：以計(jì)算機(jī)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(wú)創(chuàng)性、信息易獲得等特征，現(xiàn)在運(yùn)用最為全面。前者擁有定位準(zhǔn)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(yùn)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(hào)強(qiáng)弱不同顯像，在軟組織顯現(xiàn)方面可補(bǔ)充前者不夠[6]。近年來(lái)，多位研發(fā)者綜合上述多種方式的優(yōu)勢(shì)，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(zhǔn)交融的方式建立身體膝關(guān)節(jié)有限元模型，確保了各解剖構(gòu)造的真正性，并為確切模仿膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特征供應(yīng)了條件，是值得借鏡的建模新思路[7]。因CT和MR圖片的配準(zhǔn)交融技巧，存在信息獲得時(shí)的倫理學(xué)問(wèn)題，掃描時(shí)的定位、標(biāo)定，配準(zhǔn)交融時(shí)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、變換矩陣、重定位等技巧難點(diǎn)，故較少實(shí)際運(yùn)用于臨床實(shí)踐。1.2.2 重建膝關(guān)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(xué)行業(yè)運(yùn)用最全面的軟件，它是模塊化構(gòu)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(qiáng)力的體信息瀏覽性能，可將CT或MRI掃描的二維DICOM信息導(dǎo)入，借用圖片分隔工具提煉感興致領(lǐng)域，重建其三維模型，借用其丈量工具進(jìn)行身體解剖學(xué)解析。其自帶的MedCAD模塊，可創(chuàng)立根本的CAD目標(biāo)，是其與醫(yī)學(xué)影像的橋梁；Simulation模塊可虛擬手術(shù)、假體植入，術(shù)前便可敵手術(shù)進(jìn)行預(yù)料和評(píng)價(jià)；FEA模塊是有限元解析前解決工具。GeomagicStudio軟件是被全面運(yùn)用的逆向軟件，可從掃描所得的點(diǎn)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(duì)圖片進(jìn)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(diǎn)、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(tái)輔助客戶創(chuàng)建有限元模型；供應(yīng)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(chǎng)景無(wú)縫連接。其強(qiáng)力的幾何清理本領(lǐng)、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(xiàn)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(xué)行業(yè)運(yùn)用最多的生物力學(xué)解析軟件，它們各有所長(zhǎng)，有多模塊、牽扯多行業(yè)，覆蓋了卻構(gòu)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(xué)解析，能處理構(gòu)造力學(xué)解析較深層級(jí)問(wèn)題。實(shí)際工作中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算量，往往咱們會(huì)對(duì)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(guān)節(jié)的首要韌帶，只可在絕對(duì)水平上模仿身體膝關(guān)節(jié)的某類機(jī)器功能、力學(xué)特點(diǎn)。事實(shí)上，非線性是更廣泛的情況，故Abaqus軟件在生物力學(xué)研發(fā)方面的結(jié)果較前者愈加真正、合理、牢靠。2 膝關(guān)節(jié)有限元生物力學(xué)解析的運(yùn)用2.1 有限元運(yùn)用于膝關(guān)節(jié)傷害、退變體制研發(fā)膝關(guān)節(jié)是身體全身各骨關(guān)節(jié)中構(gòu)造最大、最高難，承受杠桿功效力最強(qiáng)的關(guān)節(jié)，因?yàn)槠湫问教攸c(diǎn)的特同性，膝關(guān)節(jié)并不十分安穩(wěn)，傷害很常見(jiàn)。據(jù)世界衛(wèi)生部統(tǒng)計(jì)，膝骨關(guān)節(jié)炎在40歲以上人群中總抱病率為28.7%[9]，多見(jiàn)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(guān)節(jié)有限元運(yùn)用于臨床非手術(shù)行業(yè)的首要研發(fā)方向。對(duì)膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特征進(jìn)行解析，不單能夠?qū)οリP(guān)節(jié)創(chuàng)傷產(chǎn)生的體制進(jìn)行明確的闡述，況且能夠?qū)υ\療和痊愈提出科學(xué)的引導(dǎo)和策劃；可總體上掌控膝骨性關(guān)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(guān)節(jié)有限元模型，模仿膝關(guān)節(jié)交叉韌帶及半月板傷害，解析其對(duì)膝關(guān)節(jié)應(yīng)力的牽連。姚杰等[14]模仿跳傘著陸流程的試驗(yàn)信息，解析了跳傘員特殊人群膝關(guān)節(jié)傷害的機(jī)理。張冠軍[15]模仿現(xiàn)實(shí)交通事故中膝關(guān)節(jié)傷害，對(duì)研發(fā)行人下肢傷害體制及其防護(hù)方式供應(yīng)了考慮根據(jù)。有限元解析在研發(fā)膝關(guān)節(jié)傷害體制及關(guān)節(jié)退變、關(guān)節(jié)炎病理心理體制方面的應(yīng)用，針對(duì)有關(guān)重病的防治有努力引導(dǎo)功效。2.2 有限元運(yùn)用于膝關(guān)節(jié)手術(shù)行業(yè)研發(fā)首要表現(xiàn)在術(shù)式選取與手術(shù)成效評(píng)估、骨折固定器械及假體的力學(xué)研發(fā)等方面。骨折造成骨骼得到原有性能及形式，力學(xué)功能變化或消散，手術(shù)的目標(biāo)是重建其解剖構(gòu)造及修復(fù)支持性能，借用術(shù)前的三維信息重建有限元模型，并在計(jì)算機(jī)中模仿手術(shù)，進(jìn)行應(yīng)力解析，理解手術(shù)能否能盡也許地修復(fù)骨骼原有力學(xué)特征，綜合評(píng)價(jià)多種可行術(shù)式的好壞點(diǎn)，利于創(chuàng)建更完美、良好的手術(shù)計(jì)劃。葉俊星[16]研發(fā)前交叉韌帶重建術(shù)后股骨隧道角度對(duì)股骨隧道壁碰觸應(yīng)力的牽連，得出最好股骨隧道角度為25°。劉忠堂[17]對(duì)照置換髕骨后對(duì)髕股關(guān)節(jié)生物力學(xué)的牽連，認(rèn)定術(shù)中可選取性地不進(jìn)行髕骨置換。針對(duì)手術(shù)所需的骨折固定器械及假體設(shè)計(jì)，既需要骨折固定切實(shí)牢靠，同時(shí)應(yīng)減小應(yīng)力攔截、并發(fā)術(shù)后骨質(zhì)放松危害，故恰當(dāng)強(qiáng)度的科學(xué)設(shè)計(jì)方利于患者術(shù)后痊愈。有限元解析法，能夠?qū)袤w或植入物進(jìn)行數(shù)字化模仿，定量解析應(yīng)力場(chǎng)改變，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)劃。劉利等通過(guò)在不同工況、不同夾角狀況下對(duì)相近類型配對(duì)和不同類型交叉配對(duì)的人工膝關(guān)節(jié)的對(duì)照碰觸解析，研發(fā)了這兩類配對(duì)之間的應(yīng)力聯(lián)系，為人工膝關(guān)節(jié)相同類型交叉配對(duì)的可行性供應(yīng)了考慮。張緒樹通過(guò)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀況下國(guó)產(chǎn)人工膝關(guān)節(jié)碰觸壓力解析，認(rèn)定國(guó)產(chǎn)人工膝關(guān)節(jié)假體適合臨床需要。3 膝關(guān)節(jié)有限元解析存在的問(wèn)題與預(yù)測(cè)有限元解析擁有可頻頻借用、節(jié)省本錢、可控制性強(qiáng)、牽連原因小等好處。同時(shí)，咱們也應(yīng)看見(jiàn)其不夠：它不過(guò)一類數(shù)字化模仿，只可在絕對(duì)水平上對(duì)解剖構(gòu)造、力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行仿生；現(xiàn)在尚無(wú)驗(yàn)證膝關(guān)節(jié)模型準(zhǔn)確性、合感性的統(tǒng)一規(guī)范，存在絕對(duì)的客觀性或偏差。綜上述，三維可視化膝關(guān)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(jì)算機(jī)技巧和軟件工程的成長(zhǎng)，所建立的模型日漸高難、真切，可絕對(duì)水平上模仿真正膝關(guān)節(jié)的力學(xué)特點(diǎn)，為其更全面地運(yùn)用于臨床奠定了根基。同時(shí)，怎樣將其更好地與臨床相結(jié)合，實(shí)行由根基研發(fā)向臨床運(yùn)用轉(zhuǎn)變及提升轉(zhuǎn)變率，是下一個(gè)課題。

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