數(shù)字化技術(shù)在骨科的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)字化有限元分析在骨科的應(yīng)用何謂數(shù)字化？何謂有限元？數(shù)字化就是將采集到的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，然后引入計(jì)算機(jī)內(nèi)部，進(jìn)行統(tǒng)一處理，最后建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型。有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱(chēng)為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元分析是當(dāng)今

2、天大多數(shù)工程設(shè)計(jì)中一個(gè)最關(guān)鍵的步驟。它作為一種高效的設(shè)計(jì)工具被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)：從電氣系統(tǒng)、家用器具到汽車(chē)、航空器以及大型土木工程建筑。有限元方法于20世紀(jì)50年代首先在飛機(jī)制造業(yè)中發(fā)展起來(lái)，隨即成為當(dāng)今飛機(jī)重要部件設(shè)計(jì)中一個(gè)不可缺少的工具。有限元方法在生物力學(xué)中的應(yīng)用于1972年首先見(jiàn)于Brekelmans 及其研究同仁的報(bào)告。第一個(gè)真正的椎間盤(pán)椎體的三維有限元模型是由Lin等人建立的。從那以后，有限元方法常常用于對(duì)腰椎生物力學(xué)特點(diǎn)的研究。國(guó)內(nèi)的研究者也使用有限元方法對(duì)脊柱進(jìn)行了有益的探索，尤其值得關(guān)注的是，傳統(tǒng)中醫(yī)推拿牽引療法對(duì)脊柱的作用機(jī)制也納入了有限元研究的范圍。隨著近十年

3、計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的飛躍增長(zhǎng),由腰椎構(gòu)成的復(fù)雜功能系統(tǒng)已經(jīng)可以進(jìn)行分析研究。實(shí)驗(yàn)分析和臨床實(shí)驗(yàn)也能提供此類(lèi)信息, 但是有限元模型具有前者無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，它能預(yù)測(cè)椎間盤(pán)和椎骨的壓力值以及非常詳細(xì)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。5.1、腰椎有限元模型研究的意義5.1.1腰椎生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真 利用有限元軟件的建模功能，可以很逼真地建立三維腰椎模型，并把通過(guò)材料力學(xué)方法測(cè)量的生物力學(xué)材料特性賦與此模型，在計(jì)算機(jī)中建立起虛擬的實(shí)驗(yàn)標(biāo)本，然后對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件仿真（幾何約束、固定載荷、沖擊載荷、溫度特性等），模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、三點(diǎn)彎、抗疲勞等力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)求解可以獲得該虛擬對(duì)象與實(shí)驗(yàn)標(biāo)本類(lèi)似的獲生物力學(xué)指標(biāo)，例如對(duì)象的剛

4、度、任意部位的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力/應(yīng)變分布、內(nèi)部能量變化、極限破壞等變化情況。5.1.2腰椎內(nèi)固定器械的力學(xué)性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì) 對(duì)于治療腰椎疾病的醫(yī)療器械來(lái)說(shuō)，其力學(xué)性能的好壞往往決定了其臨床應(yīng)用價(jià)值的大小，對(duì)于腰椎內(nèi)固定器械來(lái)說(shuō)，它們的穩(wěn)定性、抗疲勞性是其設(shè)計(jì)者首先要考慮的因素。因此，對(duì)腰椎內(nèi)固定器械進(jìn)行力學(xué)性能評(píng)價(jià)很重要。與實(shí)驗(yàn)手段相比，利用有限元法進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、費(fèi)用少、模擬復(fù)雜條件、力學(xué)性能測(cè)試全面及可重復(fù)實(shí)驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。另外，利用有限元軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，可以在保證腰椎內(nèi)固定器械的有效力學(xué)性能的前提下，對(duì)其結(jié)構(gòu)、外形、材料特性等結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，指導(dǎo)并改進(jìn)腰椎內(nèi)固定器械的設(shè)計(jì)，

5、達(dá)到節(jié)約材料、減小體積和重量、獲得更好的結(jié)構(gòu)特性等目標(biāo)。5.2生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)與有限元模型研究的比較對(duì)于人體腰椎生物力學(xué)的研究有兩種方法：實(shí)驗(yàn)或者模型化。實(shí)驗(yàn)通?；趧?dòng)物脊柱、尸體脊柱或者人工脊柱模型，而模型化常使用數(shù)學(xué)或者計(jì)算機(jī)方法。當(dāng)然每種方法各擅勝場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)方法能直接、直觀的獲得脊柱生物力學(xué)性能的信息，但是昂貴、煩瑣，而且標(biāo)本的變異常影響到結(jié)果的可重復(fù)性，雖然變異本身既是脊柱重要的參數(shù)。相反，模型化研究具有實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：它可根據(jù)需要產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)各種各樣的標(biāo)本，同一個(gè)標(biāo)本在虛擬計(jì)算中可進(jìn)行無(wú)數(shù)次加載或組合而不會(huì)被損壞，標(biāo)本也可以進(jìn)行修正以模擬任何病理狀態(tài)。模型化也可以提供實(shí)驗(yàn)不能得到的正

6、常生理信息，例如椎間盤(pán)和椎骨的應(yīng)力分布。然而，模型化的難點(diǎn)在于生成一個(gè)有效而準(zhǔn)確的模型，這個(gè)問(wèn)題猶如脊柱本身一樣復(fù)雜。因此，數(shù)年來(lái)，建模工作持續(xù)進(jìn)行。目前看來(lái)，研究的確到了一個(gè)臨界點(diǎn)，人們對(duì)脊柱的了解、建模的經(jīng)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力都有質(zhì)的飛躍，出現(xiàn)了一批機(jī)制良好的模型。5.3腰椎有限元模型應(yīng)注意的兩個(gè)問(wèn)題5.3.1在所有的腰椎有限元模型中，位移會(huì)比應(yīng)力準(zhǔn)確的多。因?yàn)閼?yīng)力源自于位移，而且對(duì)位移十分敏感。很少進(jìn)行腰椎模型應(yīng)力集中和精確值的詳盡計(jì)算，而焦點(diǎn)往往在與實(shí)驗(yàn)側(cè)得偏移值對(duì)比以確定模型的有效性。在數(shù)據(jù)顯示整個(gè)模型的特性可信時(shí)，它并無(wú)法確定模型內(nèi)的應(yīng)力集中和精確值。因?yàn)橹髁餮的Ｐ途捎孟鄬?duì)較

7、粗的網(wǎng)格劃分，所以在預(yù)測(cè)應(yīng)力絕對(duì)值時(shí)應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度。當(dāng)只需要進(jìn)行定性分析時(shí)，上述結(jié)果已經(jīng)足夠。例如：對(duì)髓核摘除后的椎間盤(pán)進(jìn)行模擬，只要提到在環(huán)部產(chǎn)生了兩倍的應(yīng)力水平（假設(shè)），而不需要給出其絕對(duì)值。 5.3.2任何有限元模型都需要確認(rèn)有效，但是往往相當(dāng)困難。因個(gè)體之間和標(biāo)本之間不可避免的存在變異。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較需要小心解釋和分析，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中往往是給予極度簡(jiǎn)化的載荷，即使得出數(shù)據(jù)能證明模型有效，也不必定表示模型在人體內(nèi)復(fù)雜的載荷條件下能有效工作。因此，需要對(duì)模型進(jìn)行仔細(xì)的分析，以確定不同參數(shù)的作用以及選擇關(guān)鍵性的參數(shù)。有限元模型化提供了我們正常生理功能的信息，減少了我們對(duì)動(dòng)物和尸體實(shí)驗(yàn)的依賴，是臨床研究不可缺少的工具?？梢灶A(yù)測(cè)將來(lái)患者個(gè)體化模型將用于病情評(píng)估以及術(shù)前術(shù)中設(shè)計(jì)。功能更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和軟件能夠自動(dòng)從CT和MRI數(shù)據(jù)中提取特征參數(shù)或重要幾何細(xì)節(jié)，直接產(chǎn)生有限元模型。在有限元模