有限元醫(yī)學(xué)應(yīng)用案例：全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后通過(guò)對(duì)股四頭肌肌力進(jìn)行計(jì)算分析來(lái)改善患者的膝關(guān)節(jié)屈曲度

2016-12-22 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

項(xiàng)目介紹

膝前疼痛是全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)的主要術(shù)后并發(fā)癥?；颊呦リP(guān)節(jié)無(wú)法自由伸展/屈曲,對(duì)其行走、抬腿或從座位站起等日?；顒?dòng)造成顯著影響。這種膝關(guān)節(jié)活動(dòng)嚴(yán)重受限的情況是需要進(jìn)TKA翻修術(shù)最常見的適應(yīng)癥之一。導(dǎo)致這一狀況的原因是手術(shù)過(guò)程中膝關(guān)節(jié)髕骨組件尺寸欠佳——這一“紐扣狀”組件的作用是改善股四頭肌伸展力的機(jī)械性能?？巳R姆森大學(xué)生物工程系生物力學(xué)研究組通過(guò)應(yīng)用基于HyperWorks的有限元分析,評(píng)估了髕骨扣狀物厚度對(duì)股四頭肌肌力變化程度造成的影響。

50多年來(lái),克萊姆森大學(xué)生物工程系始終注重對(duì)學(xué)生、教師和研究人員進(jìn)行培養(yǎng),為他們?cè)诶碚撝R(shí)、專業(yè)技能和個(gè)人發(fā)展上提供了諸多寶貴機(jī)遇。所有教師均擁有豐富的本科生和研究生科研指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn),在他們的帶領(lǐng)下,生物工程系的學(xué)生能夠有效利用工程原理來(lái)了解和治療疾病。此外,該系還與多名醫(yī)師和企業(yè)家展開合作,確保其研究課題始終著眼于高優(yōu)先級(jí)的醫(yī)療挑戰(zhàn)。在系主任MartineLa Berge博士的領(lǐng)導(dǎo)下,克萊姆森大學(xué)和南卡羅來(lái)納醫(yī)科大學(xué)還在南卡羅來(lái)納州的查爾斯頓共同啟動(dòng)了生物工程項(xiàng)目,這使雙方的合作關(guān)系進(jìn)一步加強(qiáng)。

挑戰(zhàn)

此項(xiàng)研究所面臨的挑戰(zhàn)是,如何使用計(jì)算分析來(lái)量化評(píng)估膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展過(guò)程中髕骨扣狀物厚度對(duì)股四頭肌肌力變化所造成的影響。股四頭肌肌力變化的減小與全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)術(shù)后膝前疼痛的減輕直接相關(guān)。

有限元醫(yī)學(xué)應(yīng)用案例：全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后通過(guò)對(duì)股四頭肌肌力進(jìn)行計(jì)算分析來(lái)改善患者的膝關(guān)節(jié)屈曲度hypermesh學(xué)習(xí)資料圖片1
HyperMesh構(gòu)建的自然膝關(guān)節(jié)模型

股骨屈曲角度為 60° 時(shí)的股四頭肌變形情況

用于進(jìn)行有限元仿真的整體幾何模型

解決方案

由Altair員工、博士生Xin Xie完成的三維(3D)顯式有限元分析可評(píng)估髕骨扣狀物厚度對(duì)股四頭肌肌力大小和變化造成的影響。在研究過(guò)程中,Xin Xie利用Altair HyperMesh構(gòu)建出極為精細(xì)的膝關(guān)節(jié)3D模型。通過(guò)對(duì)中等體型尸體的下肢進(jìn)行MRI重建,可構(gòu)建能夠代表人體真實(shí)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的基本3D模型。采用供方指定的全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)特定程序,切除尸體的脛骨、股骨和髕骨扣狀物。然后,將指定TKA裝置的幾何結(jié)構(gòu)插入自然膝關(guān)節(jié)模型,并使用HyperMesh進(jìn)行校正。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)量化得到的各向同性、超彈性材料用于構(gòu)建肌肉和韌帶膝關(guān)節(jié)連接件模型。然后,采用運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)定義膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展過(guò)程中脛骨和股骨的位移邊界條件。最后,借助HyperMesh的幾何變形功能額外創(chuàng)建兩個(gè)厚度變化范圍在2毫米之間的髕骨扣狀物,從而得到三個(gè)有限元模型。對(duì)這三個(gè)模型進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析,利用分析結(jié)果即可計(jì)算出每個(gè)厚度情況下的肌腱力大小。

使用大腿肌肉群重建的人體骨骼系統(tǒng)

股骨屈曲角度在0° 到60° 時(shí)股四頭肌肌力的整體變化情況

結(jié)論

針對(duì)完整行走步態(tài)下膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展過(guò)程中的全部股四頭肌肌腱進(jìn)行VonMises應(yīng)力分布計(jì)算。對(duì)于全部三種厚度情況,應(yīng)力在股骨的屈曲角度為最大值(60°) 時(shí)達(dá)到峰值。三種情況下,步態(tài)周期內(nèi)的TF變化結(jié)果均相似。但是,與由髕骨扣狀物基準(zhǔn)厚度得出的TF峰值相比,髕骨較薄的模型在這三種模型中的TF力最大?？傮w而言,此研究表明髕骨組件厚度對(duì)步態(tài)周期中邁步期的股四頭肌肌力產(chǎn)生顯著影響。

更具體地說(shuō):

?接受TKA手術(shù)后,較厚的髕骨會(huì)導(dǎo)致股四頭肌肌腱繃緊

?較薄的髕骨可能會(huì)造成力矩臂失效,使膝關(guān)節(jié)伸肌裝置發(fā)生功能障礙,進(jìn)而導(dǎo)致TF大小發(fā)生異常。為了得出最佳厚度值,在進(jìn)一步計(jì)算研究過(guò)程中,應(yīng)考慮各種厚度的髕骨扣狀物對(duì)膝關(guān)節(jié)反作用力造成的影響。

有限元醫(yī)學(xué)應(yīng)用案例：全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后通過(guò)對(duì)股四頭肌肌力進(jìn)行計(jì)算分析來(lái)改善患者的膝關(guān)節(jié)屈曲度hypermesh技術(shù)圖片6