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数字化技术在骨科的应用

数字化有限元分析在骨科的应用
何谓数字化?何谓有限元? 数字化就是将采集到的信息转变为可以度量的数字、 数据, 然后引入计算机内部, 进行统一处理,最后建立起适当的数字化模型。 有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多 称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解, 然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件) ,从而得到问题的解。这个解 不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问 题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为 行之有效的工程分析手段。 有限元分析是当今天大多数工程设计中一个最关键的步骤。 它作为一种高效的设计工具 被广泛应用于各个领域的产品设计:从电气系统、家用器具到汽车、航空器以及大型土木工 程建筑。 有限元方法于 20 世纪 50 年代首先在飞机制造业中发展起来, 随即成为当今飞机重要部 件设计中一个不可缺少的工具。有限元方法在生物力学中的应用于 1972 年首先见于 Brekelmans 及其研究同仁的报告。第一个真正的椎间盘椎体的三维有限元模型是由 Lin 等 人建立的。从那以后,有限元方法常常用于对腰椎生物力学特点的研究。国内的研究者也使 用有限元方法对脊柱进行了有益的探索, 尤其值得关注的是, 传统中医推拿牵引疗法对脊柱 的作用机制也纳入了有限元研究的范围。 随着近十年计算机运算能力的飞跃增长,由腰椎构成的复杂功能系统已经可以进行分析 研究。实验分析和临床实验也能提供此类信息, 但是有限元模型具有前者无法比拟的优势, 它能预测椎间盘和椎骨的压力值以及非常详细的动态数据。

5.1、腰椎有限元模型研究的意义 、 5.1.1 腰椎生物力学实验仿真 利用有限元软件的建模功能, 可以很逼真地建立三维腰

椎模型, 并把通过材料力学方法测量的生物力学材料特性赋与此模型, 在计算机中建立起虚 拟的"实验标本",然后对模型进行实验条件仿真(几何约束、固定载荷、冲击载荷、温度 特性等) ,模拟拉伸、弯曲、扭转、三点弯、抗疲劳等力学实验条件,通过求解可以获得该 虚拟对象与实验标本类似的获生物力学指标,例如对象的刚度、任意部位的结构变形、应力

/应变分布、内部能量变化、极限破坏等变化情况。 5.1.2 腰椎内固定器械的力学性能评价及优化设计 对于治疗腰椎疾病的医疗器械来

说,其力学性能的好坏往往决定了其临床应用价值的大小,对于腰椎内固定器械来说,它们 的稳定性、抗疲劳性是其设计者首先要考虑的因素。因此,对腰椎内固定器械进行力学性能 评价很重要。与实验手段相比,利用有限元法进行的模拟实验具有实验时间短、费用少、模 拟复杂条件、力学性能测试全面及可重复实验等优点。另外,利用有限元软件的优化设计功 能,可以在保证腰椎内固定器械的有效力学性能的前提下,对其结构、外形、材料特性等结 构指标进行优化,指导并改进腰椎内固定器械的设计,达到节约材料、减小体积和重量、获 得更好的结构特性等目标。 5.2 生物力学实验与有限元模型研究的比较 对于人体腰椎生物力学的研究有两种方法:实验或者模型化。实验通常基于动物脊柱、 尸体脊柱或者人工脊柱模型, 而模型化常使用数学或者计算机方法。 当然每种方法各擅胜场。 实验方法能直接、直观的获得脊柱生物力学性能的信息,但是昂贵、烦琐,而且标本的变异 常影响到结果的可重复性,虽然变异本身既是脊柱重要的参数。 相反, 模型化研究具有实验方法无法比拟的优势: 它可根据需要产生无数个各种各样的 标本, 同一个标本在虚拟计算中可进行无数次加载或组合而不会被损坏, 标本也可以进行修 正以模拟任何病理状态。 模型化也可以提供实验不能得到的正常生理信息, 例如椎间盘和椎 骨的应力分布。然而,模型化的难点在于生成一个有效而准确的模型,这个问题犹如脊柱本 身一样复杂。因此,数年来,建模工作持续进行。目前看来,研究的确到了一个临界点,人 们对脊柱的了解、 建模的经验以及计算机的运算能力都有质的飞跃, 出现了一批机制良好的 模型。 5.3 腰椎有限元模型应注意的两个问题 5.3.1 在所有的腰椎有限元模型中,位移会比应力准确的多。因为应力源自于位移,而 且对位移十分敏感。 很少进行腰椎模型应力集中和精确值的详尽计算, 而焦点往往在与实验 侧得偏移值对比以确定模型的有效性。 在数据显示整个模型的特性可信时, 它并无法确定模 型内的应力集中和精确值。 因为主流腰椎模型均采用相对较粗的网格划分, 所以在预测应力 绝对值时应持谨慎态度。当只需要进行定性分析时,上述结果已经足够。例如:对髓核摘除 后的椎间盘进行模拟,只要提到在环部产生了两倍的应力水平(假设) ,而不需要给出其绝 对值。 5.3.2 任何有限元模型都需要确认有效,但是往往相当困难。因个体之间和标本之间不

可避免的存在变异。 与实验数据的比较需要小心解释和分析, 因为在实验中往往是给予极度 简化的载荷, 即使得出数据能证明模型有效, 也不必定表示模型在人体内复杂的载荷条件下 能有效工作。因此,需要对模型进行仔细的分析,以确定不同参数的作用以及选择关键性的 参数。 有限元模型化提供了我们正常生理功能的信息,减少了我们对动物和尸体实验的依赖, 是临床研究不可缺少的工具。 可以预测将来患者个体化模型将用于病情评估以及术前术中设 计。功能更加强大的计算机和软件能够自动从 CT 和 MRI 数据中提取特征参数或重要几何 细节,直接产生有限元模型。在有限元模型的帮助下可以无创检查体内组织(主要是韧带和 椎间盘)和小平面关节。此外,通过临床检查产生患者个体有限元模型的合法性需要得以确 定和解决。毫无疑问,有限元分析对脊柱研究产生了不可估量的影响,未来,这种影响还会 继续扩大。


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