【医疗应用】自动化有限元分析的关键组件

在全髋关节置换手术中，最传统的股骨部件设计都有一个长的股骨柄。短髋关节股骨柄最近才推出，相比较传统的长股骨柄，短髋关节股骨柄被认为可以减少近端应力遮挡。然而，由于其较小的骨接触面积，高峰值应力和应力遮挡区域可能出现在股骨近端，尤其在非典型骨几何学存在的情况下。

鲁汶大学的研究人员和布鲁塞尔大学医院的研究人员通过在一系列有股骨近端几何学偏差的案例中，虚拟植入市售的骨距指引的短股骨柄（Mathys AG公司的Optimys，Bettlach，德国），并进行有限元分析来更好的理解这一现象。然而，若要研究大范围的股骨就必须创建大量的有限元模型。这是项耗时的、劳动密集型的工作，这就需要一个能够实现自动化的途径，让研究团队以此评估植入体的性能。

进行虚拟植入，并生成组件

为了以自动化方式生成精确的表面网格和体网格、创建所需组件并基于医学影像数据指定材料特性，研究团队选择了Mimics Innovation Suite软件的Python脚本和FEA功能。

工作流在图(1)中显示。

图（1）

在选择研究中使用的股骨时，研究团队根据96组CT数据分割得到的股骨模型，三维测定了这些股骨的颈干角（NSA）、颈长度（NL）和前倾角（AV）。从该数据集中选择12个最极端的股骨和6个“平均值”股骨（共18个）。然后，软件自动将植入体的CAD 设计文件按大小排列并与髋关节解剖学上的旋转中心进行匹配。每个股骨的股骨柄大小和位置由骨科医生在需要的位置手动校正以实现最佳生物力学效果（图2）。

图（2）

在进行虚拟截骨术后（图3），再利用非岐管装配法构建有限元模型（图4）。根据CT数据集，赋予材料特性，并在Abaqus中模拟行走和爬楼梯的负荷。

图（3）

图（4）

通过3个不同区域（骨距，柄中部，尖部）术前和术后平均应变能密度的变化，评估应力遮挡，每个区域又被分成4个部分（内侧，外侧，前部，后部）（图5）。

分析结果

骨距内侧区的应力遮挡最大（图5的1M区），应变能密度锐减。这种效应向远端区域减小。“平均值”股骨的应力遮挡率最低，而有非典型几何学特征的股骨显示较高水平的应力遮挡。颈干角是对骨应力遮挡最有影响力的参数，而异常前倾角对应力遮挡几乎没有不利影响。而且，植入体和骨头间的负荷转移位于股骨近端，其应力遮挡通常较低，而有最高应力遮挡的股骨在骨柄尖部有极大的应力集中。

脚本和FEA模块在本研究中的作用

在这项研究中，研究人员所开发的自动化工作流提供了很大的帮助，因为它允许团队：

相比以往研究，能分析更大的研究人群

选择合适的股骨进行研究

植入合适的股骨柄

产生精准的表面网格和体网格

生成所需的组件

基于医学影像数据，指定材料特性

避免重复工作，专注于更有意义的任务