Ansys應(yīng)用：臨床骨科中應(yīng)用的有限元分析法-新理論與新進(jìn)展

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

目前,有限元分析在骨生物力學(xué)研究、內(nèi)固定材料研究、骨科疾病病理機(jī)制研究等方面的應(yīng)用已越來(lái)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(dǎo)入Mimics中,通過(guò)閾值分割、區(qū)域增長(zhǎng)、空腔填充和三維建模等步驟獲取人體幾何模型。

再通過(guò)geomagic等軟件對(duì)模型進(jìn)行修改,使分析模型盡可能的是由光滑面或體構(gòu)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(gè)體進(jìn)行分析,最后將個(gè)體集合為整體進(jìn)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(gòu)細(xì)節(jié)處理。 ②網(wǎng)格劃分密度。③網(wǎng)格過(guò)渡。

一般會(huì)把重建三維分析模型劃分成有限個(gè)四面體或六面體,這樣就會(huì)造成分離出來(lái)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(qiáng)了對(duì)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(duì)骨組織的屬性賦值主要是依據(jù)其CT值計(jì)算出骨密度值,再對(duì)骨組織進(jìn)行劃分有限元網(wǎng)格單元,根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格單位CT值來(lái)對(duì)骨組織的屬性賦值,從而描述骨的生物力學(xué)特性。

確定邊界條件

人體骨骼的承載和運(yùn)動(dòng)是和其周?chē)募∪獾认嚓P(guān)組織分不開(kāi)的,由于這些結(jié)構(gòu)之間的配合比較復(fù)雜,要建立一個(gè)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(huì)簡(jiǎn)化分析模型。待簡(jiǎn)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(yàn)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(shí)分析所得到的結(jié)果是否正確,需要利用所掌握的相關(guān)知識(shí)結(jié)合臨床綜合分析,或者進(jìn)行可行性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證并分析,得到相對(duì)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(lǐng)域的應(yīng)用

利用有限元分析法可以對(duì)脊柱骨折的生物力學(xué)功能和致病機(jī)制等進(jìn)行研究及評(píng)價(jià)。

Silve等通過(guò)有限元法證實(shí)進(jìn)行椎弓根螺釘置入時(shí),皮質(zhì)骨提供的強(qiáng)度占椎體強(qiáng)度的10%,在相對(duì)較高的壓力載荷下,終板中下方的松質(zhì)骨發(fā)生骨折時(shí),椎體的強(qiáng)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(biāo)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(rèn)為骨折的發(fā)生與負(fù)荷類(lèi)型沒(méi)有關(guān)系, 而與皮質(zhì)骨的彈性模量成正比例關(guān)系,與松質(zhì)骨的彈性模量成反比例關(guān)系。

Dall Ara等通過(guò)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(yù)測(cè)了體內(nèi)椎體的力量。隨后應(yīng)用離體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性。

Matsuura等利用標(biāo)本研究得出有限元分析可能是預(yù)測(cè)椎體成形術(shù)后帶來(lái)的原位椎體骨折應(yīng)力負(fù)荷的有用工具。

有限元分析在關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用

有限元分析技術(shù)為了解關(guān)節(jié)置換患者術(shù)前關(guān)節(jié)功能狀態(tài)、術(shù)中假體的選擇、術(shù)后預(yù)測(cè)提供了一種全新的方法。

Chang等通過(guò)對(duì)正常股骨頭外形進(jìn)行有限元分析后,建議將假體股骨柄的股骨頸設(shè)計(jì)成相對(duì)較細(xì),距股骨頭頂端相對(duì)較短的形態(tài),其理論依據(jù)是這樣可以適當(dāng)減少對(duì)周?chē)琴|(zhì)的破壞,從而減少骨結(jié)構(gòu)重塑,同時(shí)假體穩(wěn)定性可以保障。

Patil等通過(guò)有限元法分析全髖關(guān)節(jié)置換后髖關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布表明,當(dāng)髖臼杯外展角由35° 增加到55°時(shí),髖關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力會(huì)逐步上升,其磨損程度也會(huì)增大;而隨著髖臼杯的前傾角的增大,髖關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力會(huì)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(shù)來(lái)研究股骨頭壞死面積、術(shù)中假體安放位置與髖關(guān)節(jié)置換后生物力學(xué)的變化三者之間的關(guān)系, 其實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)隨著股骨頭壞死面積的增大,骨-骨水泥界面的應(yīng)力會(huì)逐漸增大;當(dāng)假體內(nèi)傾角處于內(nèi)翻位時(shí),骨水泥的最大應(yīng)力增加。內(nèi)傾角110°逐漸增大至 140°時(shí),假體的峰值應(yīng)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(guān)節(jié)面負(fù)荷量,采用非線性接觸彈塑性分析聚乙烯內(nèi)襯關(guān)節(jié)面的接觸應(yīng)力。從而證實(shí)表明,選擇股骨頭直徑相對(duì)較大的髖臼假體,并嚴(yán)格控制假體置入在安全范圍內(nèi),術(shù)后減少上小與假體位置不當(dāng)均是影響髖關(guān)節(jié)置換后生物力學(xué)環(huán)境的重要因素。

有限元分析在四肢與骨盆骨折中的應(yīng)用

有限元分析法可以在四肢骨折固定方式選擇以及術(shù)后對(duì)固定效果的評(píng)價(jià)提供相應(yīng)依據(jù)。

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

Rogge等通過(guò)對(duì)橈骨遠(yuǎn)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(xué)特征進(jìn)行分析,從而以尋找出最優(yōu)固定方式。

Qian等在尸體實(shí)驗(yàn)中研究發(fā)現(xiàn)厚度、極限載荷和極限應(yīng)變?cè)诟蟮慕瞬糠稚旒?機(jī)械性能的變化可能會(huì)影響預(yù)測(cè)力的傳輸,術(shù)前建模時(shí)應(yīng)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(yàn)。

Fan 等在有限元模型的基礎(chǔ)上,對(duì)3種固定系統(tǒng)的生物力學(xué)通過(guò)有效強(qiáng)度水平、壓力分布、力轉(zhuǎn)移,沿骨折線位移進(jìn)行評(píng)估,發(fā)現(xiàn)所有3個(gè)固定系統(tǒng)可以用來(lái)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(gè)固定系統(tǒng)可以減少很多與其他固定系統(tǒng)有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和限制。

有限元分析在病理機(jī)制方面的研究應(yīng)用

Chen等在 2003年,通過(guò)有限元分析對(duì)于糖尿病患者足底應(yīng)力分布改變進(jìn)行了研究,這對(duì)于矯形支具的設(shè)計(jì)和材料選擇都有很大的幫助。

Goto等運(yùn)用壓縮屈曲理論, 通過(guò)有限元仿真分析模擬出脊柱側(cè)凸形成的過(guò)程,研究其病理機(jī)制。

Campoli等研究股骨的形狀和密度分布及其振動(dòng)固有頻率之間的關(guān)系,得出形狀和密度可能導(dǎo)致大型計(jì)算固有頻率的變化,不同的有限元模型需要準(zhǔn)確估計(jì)骨的自然頻率。

有限元分析在骨應(yīng)力分析中的應(yīng)用

采用有限元分析技術(shù)對(duì)正常步態(tài)下足踝部的解剖結(jié)構(gòu)和力學(xué)接觸特點(diǎn)進(jìn)行研究,從而獲取足踝部在各種受力情況下各關(guān)節(jié)面之間接觸應(yīng)力情況、應(yīng)力分布部位以及應(yīng)力值。也可對(duì)踝關(guān)節(jié)骨折術(shù)后導(dǎo)致創(chuàng)傷性關(guān)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(lái)進(jìn)行力學(xué)分析。

黃諸侯等對(duì)跟骨的應(yīng)力分析表明,在踝關(guān)節(jié)中立位,足背伸20°時(shí),跟骨應(yīng)力最大點(diǎn)為跟距外側(cè)的關(guān)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(guān)節(jié)面和跟腱之間的部位承受應(yīng)力也相對(duì)較大。

有限元分析在骨科中的發(fā)展方向

過(guò)去對(duì)骨的力學(xué)分析中,由于人體骨骼周?chē)h(huán)境的復(fù)雜,其周?chē)募∪?、骨連接等,對(duì)骨骼受力均有影響,對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)量過(guò)大處理困難的問(wèn)題。故通常在分析時(shí)都會(huì)采用簡(jiǎn)化模型的方法來(lái)處理, 或者把一些影響因素轉(zhuǎn)換成載荷或約束來(lái)進(jìn)行分析,這樣必然會(huì)影響結(jié)果的精準(zhǔn)性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,并行運(yùn)算技術(shù)的廣泛應(yīng)用,和GUP 圖形加速卡的出現(xiàn)使得個(gè)人超級(jí)計(jì)算機(jī)成為可能,有限元分析運(yùn)用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛,它不再局限于對(duì)單個(gè)實(shí)體進(jìn)行處理,而是可以處理包括多部件類(lèi)似裝配體形式的分析模型。

Pang等對(duì)跟骨接骨板、螺釘和骨等形成的裝配體進(jìn)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(yīng)力集中在皮質(zhì)骨支撐斜面,且跟骨的最大主應(yīng)力和內(nèi)固定系統(tǒng)與支撐螺釘固定模型中是小于無(wú)需支撐螺釘固定模型的,支撐螺釘固定模型中的應(yīng)力更分散。這些為處理復(fù)雜非線性接觸問(wèn)題創(chuàng)造了條件,同時(shí)為研制和選擇符合個(gè)體化生物力學(xué)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(jī)制的研究提供更為精準(zhǔn)參考。

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

Choi等應(yīng)用有限元分析研究納米醫(yī)學(xué)中單個(gè)細(xì)胞的力學(xué)。

有限元分析在骨科研究領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)

精確的診斷和正規(guī)的治療計(jì)劃對(duì)獲得良好功能及較好遠(yuǎn)期療效是很重要的,有限元分析通過(guò)計(jì)算機(jī)可自動(dòng)提供三維圖像,同時(shí)可給予不同的實(shí)驗(yàn)條件,進(jìn)行反復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)分析,快速獲取完整多樣的結(jié)果數(shù)據(jù), 從而在術(shù)前發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題,研究模型表面和內(nèi)部區(qū)域應(yīng)力-應(yīng)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(shù)中因植入物選擇等問(wèn)題節(jié)省部分手術(shù)時(shí)間,同時(shí)在手術(shù)結(jié)束后可以對(duì)術(shù)后效果進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。

有限元分析大多數(shù)為靜態(tài)分析其應(yīng)力-應(yīng)變分布的狀態(tài),有限元方法在運(yùn)動(dòng)中的生物力學(xué)分析稍顯不足,這使仿真分析的準(zhǔn)確度和效率降低。在分析仿真的過(guò)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(duì)仿真計(jì)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(guò)程失敗。其次,因?yàn)楣钦鄣墓钦劬€是隨機(jī)變化,因此不可能找到一個(gè)通用骨折固定系統(tǒng),而有限元分析是針對(duì)個(gè)體案例的生物力學(xué)分析,故在應(yīng)用上不易普及。

結(jié)論

有限元分析是一門(mén)成熟的學(xué)科,它在骨科中的應(yīng)用從過(guò)去的靜態(tài)分析發(fā)展到現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)仿真;

從單個(gè)簡(jiǎn)單模型發(fā)展到現(xiàn)在的多模型、復(fù)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(chǎng)發(fā)展到多物理場(chǎng)耦合分析。

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