膝关节有限元模型建立运用进展

刘强+廖琦【中图分类号】R318 【文献标记码】A 【文章编号】2095-6851（2017）10--01与传统的试验生物力学解析相比，拥有可视化、无创性等特征的理论生物力学研发方式，日渐遭到学者青睐，有限元解析法便是其典型代表[1]。研发身体膝关节解剖构造和生物力学特征针对理解骨折产生体制、制订出手术计划、术后痊愈和假体设计等拥有首要功效。为了总结膝关节建模新思路及其有限元解析的运用现状，预测成长方向，本文就信息获得方式、首要有关软件、临床成果等方面作一综述。1 膝关节有限元建模怎样创建一个确切真切的、可视化的膝关节有限元模型总是是学者们关心的焦点，是有限元生物力学解析运用于临床实践的根基。1.1 有限元法的根本原理有限元法本质是一类离散数学计算方式，全面运用于求解热传导、电磁场、流体力学、构造解析等持续性问题。它是将一个持续的由无限个质点所产生的弹性体，通过绝对的数学计算法分隔变成有限个人单元，借用有限元软件在计算机中对原物体进行合成，并对几何体定论单元型号、给予材质，进而获取与所模仿的实际物体相相似的资料质地、构造、物理属性和机器功能，逐渐研发每个单元，终极到达对弹性体总体进行解析的目标，即基于“化整为零，集零为整”的根本意识[2]。1.2 有限元力学解析过程往往可划为三方法：一、创建实物的有限元模型；二、边缘前提和鼓励、求解；三、查阅结果。将获得到的膝关节远古信息导入Mimics、3D-Doctor等三維建模软件中，创建目标的几何模型，再导入Hypermesh、Geogamic等软件中滤波去噪、光滑、网格化等润饰图片，进行有限元解析前解决，接着再导入ANSYS、ABAQUS等有限元解析软件中，定论单元型号、资料赋值、边缘束缚及加载、求解等，在后解决器中查阅结果。以上为海内大一些文献创建膝关节有限元模型、力学解析的常规过程，一些研发者用自编软件完结。因有限元建模的首要信息来历不同，所用软件可自己选取，因此现在尚无膝关节有限元解析的统一路径，呈多样性成长态势。1.2.1 信息获得及新思路 常用的建模信息获得方式首要有三类，即持续断层切片法、三维激光扫描法、断层扫描成像法。持续断层切片法：将人尸首组织通过各类解决，使标本固定硬化并予持续切片，获得断面图片，通过计算机技巧调整，将二位平面数据转换为三维体成像，获得人的三维立体构造数据[3]。三维激光扫描法：借用三维激光扫描仪对物体进行空间三维丈量、定位，获得其外表的空间位子点云数据，再通过软件把点云再现成三维实体数字模型。该法因需特殊的三维扫描仪器，且只可获得外表数据，现在多用来膝关节金属假体的有限元建模[4]。断层扫描成像法：以计算机X线断层扫描和核磁共振成像为代表，这两类方式都拥有无创性、信息易获得等特征，现在运用最为全面。前者拥有定位准确、扫描层厚薄、速率快等好处，所建模型较精确，于骨骼体系有限元建模中运用更全面[5]。核磁共振成像借用组织中含水率不同，即质子振荡宣泄信号强弱不同显像，在软组织显现方面可补充前者不够[6]。近年来，多位研发者综合上述多种方式的优势，创建了愈加确切牢靠的有限元生物模型。真有人借用CT和MRI图片配准交融的方式建立身体膝关节有限元模型，确保了各解剖构造的真正性，并为确切模仿膝关节生物力学特征供应了条件，是值得借镜的建模新思路[7]。因CT和MR图片的配准交融技巧，存在信息获得时的伦理学问题，扫描时的定位、标定，配准交融时的坐标转换、变换矩阵、重定位等技巧难点，故较少实际运用于临床实践。1.2.2 重建膝关节数字化模型的常用软件 有限元解析所牵扯软件品种繁琐，可矫捷选取不同软件的组合形态。常用软件有：Mimics软件是现在数字医学行业运用最全面的软件，它是模块化构造的、交互式软件，能够依据客户的不同需要有不同的匹配。它拥有强力的体信息浏览性能，可将CT或MRI扫描的二维DICOM信息导入，借用图片分隔工具提炼感兴致领域，重建其三维模型，借用其丈量工具进行身体解剖学解析。其自带的MedCAD模块，可创立根本的CAD目标，是其与医学影像的桥梁；Simulation模块可虚拟手术、假体植入，术前便可敌手术进行预料和评价；FEA模块是有限元解析前解决工具。GeomagicStudio软件是被全面运用的逆向软件，可从扫描所得的点云信息创立出完善的多边形模型和网格，并可智能转换成NURBS曲面。借用该软件对图片进行优化解决，拟合曲面，网格区分，解除模型中不合理的点、面，使所创建的模型愈加好看、舒坦。Hypermesh软件是一款高功能、高端量、高效益有限元前解决器，它有高度交互的可视化平台辅助客户创建有限元模型；供应了全面的与CAD、CAE、CFD软件插口，供客户选取，能够与现有大一些仿生场景无缝连接。其强力的几何清理本领、高端量高效益的网格技巧、超前的网格扭曲技巧，能大大提升建模的效益和品质。该软件与Geomagic studio软件是文献中提及的两款主流有限元网格优化前解决软件。Ansys软件和Abaqus软件是医学行业运用最多的生物力学解析软件，它们各有所长，有多模块、牵扯多行业，覆盖了却构解析、电热磁、流体解析等方面。Ansys软件首要努力于线性解析[8]，后者努力于非线性力学解析，能处理构造力学解析较深层级问题。实际工作中，为了简化计算量，往往咱们会对模型作少量如果，如如果骨头为同质、同向、线性弹性体，忽视骨皮质和松质的不同，扼要的重建膝关节的首要韧带，只可在绝对水平上模仿身体膝关节的某类机器功能、力学特点。事实上，非线性是更广泛的情况，故Abaqus软件在生物力学研发方面的结果较前者愈加真正、合理、牢靠。2 膝关节有限元生物力学解析的运用2.1 有限元运用于膝关节伤害、退变体制研发膝关节是身体全身各骨关节中构造最大、最高难，承受杠杆功效力最强的关节，因为其形式特点的特同性，膝关节并不十分安稳，伤害很常见。据世界卫生部统计，膝骨关节炎在40岁以上人群中总抱病率为28.7%[9]，多见于中老年人，是牵连中老年人生存品质的首要原因。两者是膝关节有限元运用于临床非手术行业的首要研发方向。对膝关节的生物力学特征进行解析，不单能够对膝关节创伤产生的体制进行明确的阐述，况且能够对诊疗和痊愈提出科学的引导和策划；可总体上掌控膝骨性关节炎的病理心理体制，更直观的解析其易感原因[10]。多位研发者[11-13]借用膝关节有限元模型，模仿膝关节交叉韧带及半月板伤害，解析其对膝关节应力的牵连。姚杰等[14]模仿跳伞着陆流程的试验信息，解析了跳伞员特殊人群膝关节伤害的机理。张冠军[15]模仿现实交通事故中膝关节伤害，对研发行人下肢伤害体制及其防护方式供应了考虑根据。有限元解析在研发膝关节伤害体制及关节退变、关节炎病理心理体制方面的应用，针对有关重病的防治有努力引导功效。2.2 有限元运用于膝关节手术行业研发首要表现在术式选取与手术成效评估、骨折固定器械及假体的力学研发等方面。骨折造成骨骼得到原有性能及形式，力学功能变化或消散，手术的目标是重建其解剖构造及修复支持性能，借用术前的三维信息重建有限元模型，并在计算机中模仿手术，进行应力解析，理解手术能否能尽也许地修复骨骼原有力学特征，综合评价多种可行术式的好坏点，利于创建更完美、良好的手术计划。叶俊星[16]研发前交叉韧带重建术后股骨隧道角度对股骨隧道壁碰触应力的牵连，得出最好股骨隧道角度为25°。刘忠堂[17]对照置换髌骨后对髌股关节生物力学的牵连，认定术中可选取性地不进行髌骨置换。针对手术所需的骨折固定器械及假体设计，既需要骨折固定切实牢靠，同时应减小应力拦截、并发术后骨质放松危害，故恰当强度的科学设计方利于患者术后痊愈。有限元解析法，能够对假体或植入物进行数字化模仿，定量解析应力场改变，从而优化设计计划。刘利等通过在不同工况、不同夹角状况下对相近类型配对和不同类型交叉配对的人工膝关節的对照碰触解析，研发了这两类配对之间的应力联系，为人工膝关节相同类型交叉配对的可行性供应了考虑。张绪树通过对不同运动状况下国产人工膝关节碰触压力解析，认定国产人工膝关节假体适合临床需要。3 膝关节有限元解析存在的问题与预测有限元解析拥有可频频借用、节省本钱、可控制性强、牵连原因小等好处。同时，咱们也应看见其不够：它不过一类数字化模仿，只可在绝对水平上对解剖构造、力学特点进行仿生；现在尚无验证膝关节模型准确性、合感性的统一规范，存在绝对的客观性或偏差。综上述，三维可视化膝关节有限元模型建立的信息获得及逆向工程重建方式、途径多样，并紧随计算机技巧和软件工程的成长，所建立的模型日渐高难、真切，可绝对水平上模仿真正膝关节的力学特点，为其更全面地运用于临床奠定了根基。同时，怎样将其更好地与临床相结合，实行由根基研发向临床运用转变及提升转变率，是下一个课题。

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