Scripps诊所的生物医学研究: 采用Altair HyperWorks建立骨骼植入模型

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了骨关节炎的治疗挑战，特别是肩关节置换手术方面的改进。骨关节炎的普遍性使得关节置换手术成为治疗的重要手段。传统手术方法使用钛合金植入物，但病人对其运动范围、恢复程度和植入物寿命存在疑虑。Scripps诊所Shiley整形外科研究与教育中心（SCORE）利用Altair HyperWorks软件工具，通过CT扫描和三维建模，研究植入物的生物力学特性，优化设计和手术技术。特别是HyperMesh和OptiStruct的应用，在网格划分、模型建立和应力优化方面取得突破，有助于设计更持久、更适应患者需求的植入物。这一研究不仅提高了手术效果，也显著提升了患者的生活质量。

项目介绍

每年都有无数的人，不论他们的年龄和身体活动水平，都开始患有骨关节炎，一种退化性关节疾病。随着年龄的增长，关节软骨酥软开始恶化。由于摩擦相邻的骨关节头部开始分解，引起骨关节疼痛。随着病情的恶化和非手术疗法无效时，外科医生会推荐关节置换。

挑战

通常，医生采用内衬塑料（作为软骨）的钛合金植入物并用螺钉固定。植入物可以给病人新生机，并显著降低疼痛。然而，病人自然会提出各种疑问：植入新关节后我可以有多大的运动范围?我能恢复到什么程度?新关节能使用多长时间?

位于加州拉荷亚的著名Scripps诊所Shiley整形外科研究与教育中心（SCORE）使用Altair HyperWorks软件工具，让患者的疑问得到很好的解答。

CT扫描人体肩膀部位

HyperMesh中创建的骨骼实体网格

解决方案

肩关节成形术:骨骼建模与导入

“肩关节置换术是一个相当成功的手术，”骨科研究实验室(ORL)主任Darryl D’Lima博士说，“但从工程学的角度来看，对此仍然缺乏了解，一直存在植入物形状设计问题。该手术通常只推荐年龄超过65岁的病人，因为植入物维持时间不会超过20年。现在，我们使用HyperWorks来更好地理解涉及关节置换的生物力学。”

“我们做了大约50个正常肩膀的电脑断层扫描(CT)，并与50个肩关节置换病人的扫描进行对比。现在，我们要找出哪些植入特性对附着在骨骼上的固定器和肩关节功能最有利。这就需要引入HyperMesh建立模型。”

肩关节置换术的有限元模型

科学家们使用三维图像处理软件Mimics来合并病人肩部CT图像切片为3D立体图并导出骨骼的表面。

“我们把骨骼表面作为CAD几何的等效，”' D’Lima博士说，“然后，我们在HyperMesh中创建了一个实体网格并将其导入Mimics中。基于CT扫描——致密坚硬的骨骼颜色显示较白——Mimics以单元为基础赋予材料属性并将文件导回HyperMesh。这样，我们就有一个赋有病人独有的材料属性的高保真表面。”

HyperMesh：虚拟模拟肩部手术

实验室使用HyperMesh从病人肩部模型移除病变的骨骼并换成一个植入物，用骨接合剂固定在适当位置。

“据我所知，”D'Lima博士说，“HyperMesh是唯一允许我们在复杂的有机骨表面和植入物的CAD表面划分网格的软件。HyperMesh做全部的建模处理。它将Mimics和我们的强度分析求解器连接起来。”

骨科研究实验室(ORL)对肩关节置换的研究在三个方面给骨科医师带来了帮助。首先,它帮助外科医生为每位患者选择最好的现成的植入物产品。其次它能帮助他们改进他们的手术技术。例如，骨科研究实验室发现接合剂膜厚度从0.5毫米增加到2.0毫米可以改善应力分布，延长植入物的寿命。第三个方面的潜在的改进是附着物或固定器。一些植入物例如螺丝通过允许多达30°变化进入角的圆锥体植入骨骼。

将植入物与骨骼固定在一起的粘结层表面的Von Mises应力

D 'Lima博士说：“在过去，外科医生会简单地插入最长可能的螺丝到骨骼最厚的部分。现在，我们可以告诉他们不仅要在骨骼最厚处，同时它更在最致密坚硬处。他们用我们的设备可以模拟该过程。”

一个突破:建立半月板模型

2005年，D'Lima博士和他的团队正试图建立半月板置换物模型，新月形的膝盖软骨经常被撕裂。这是一个困难的为期两周的过程。

该团队在一个建模包中制造了一个半月板的轮廓，并把它导入到一个前处理器中。在将网格导入求解器之前以网格为基础改变模型。每次他们想改变曲率或厚度，都需要重新开始建模过程。

D 'Lima说，“Altair的客户经理Terrence Smith告诉我HyperMesh能在更短的时间内做我们需要做的。我告诉他我不相信，我想要这个半月板和照片上的一样。不仅要匹配形状而且要在不同的方向赋材料属性。单元的方向是至关重要的。Smith大约一两天后将模型传了过来。通过一些指导，我们得到了惊人的结果。事实证明我们可以做到我们想要的。”

D 'Lima博士现在开始处理从核磁共振成像(MRI)分割出来的病人半月板的3D图像。用HyperMesh建立整个膝盖的有限元分析模型。他使用网格变形技术来调整参数确定形状改变是如何影响接触应力的，通过数字模拟技术得到更好的半月板形状。下一步：他使用HyperStudy运行优化来进一步了解他可以改变多少形状参数。

OptiStruct:建立强度优化模型

现在，大量的研究都集中在发展寿命更长的关节假体。但是骨强度也会影响植入体的寿命。如果来自植入物的压力过高则会侵蚀骨骼。如果压力过低，骨细胞所受触碰不够。植入物周围的骨细胞解散使植入物松弛。这是一个生物过程很难建立合适的模型。D'Lima博士正在使用Altair OptiStruct来解决此问题。

D 'Lima博士说：“OptiStruct有两个功能：拓扑和形状优化，我们用这两个功能来看是否可以得到一个最优的应力传递结果，建立骨骼网格模型，传递载荷到假肢上。如果我们可以模拟这一过程。我们就可以模拟一个植入物的强度问题，这不仅关系到最初的外科手术的决定，也关系到长期使用的最佳反应。”

结论

SCORE整形研究实验室所有这些研究的路径导向同一方向：为退化性关节疾病患者设计更好、更持久的植入物。HyperWorks已经成为这项工作的关键工具，每天都在影响数百万人的生活质量。