2022年数字化技术在骨科的应用 .pdf

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、应力名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - /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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -