數(shù)字化技術在骨科的應用3頁

1、數(shù)字化有限元分析在骨科的應用何謂數(shù)字化？何謂有限元？數(shù)字化就是將采集到的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，然后引入計算機內(nèi)部，進行統(tǒng)一處理，最后建立起適當?shù)臄?shù)字化模型。有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元分析是當今天大多數(shù)工程設計中一個最關

2、鍵的步驟。它作為一種高效的設計工具被廣泛應用于各個領域的產(chǎn)品設計：從電氣系統(tǒng)、家用器具到汽車、航空器以及大型土木工程建筑。有限元方法于20世紀50年代首先在飛機制造業(yè)中發(fā)展起來，隨即成為當今飛機重要部件設計中一個不可缺少的工具。有限元方法在生物力學中的應用于1972年首先見于Brekelmans 及其研究同仁的報告。第一個真正的椎間盤椎體的三維有限元模型是由Lin等人建立的。從那以后，有限元方法常常用于對腰椎生物力學特點的研究。國內(nèi)的研究者也使用有限元方法對脊柱進行了有益的探索，尤其值得關注的是，傳統(tǒng)中醫(yī)推拿牽引療法對脊柱的作用機制也納入了有限元研究的范圍。隨著近十年計算機運算能力的飛躍增長,

3、由腰椎構成的復雜功能系統(tǒng)已經(jīng)可以進行分析研究。實驗分析和臨床實驗也能提供此類信息, 但是有限元模型具有前者無法比擬的優(yōu)勢，它能預測椎間盤和椎骨的壓力值以及非常詳細的動態(tài)數(shù)據(jù)。5.1、腰椎有限元模型研究的意義5.1.1腰椎生物力學實驗仿真 利用有限元軟件的建模功能，可以很逼真地建立三維腰椎模型，并把通過材料力學方法測量的生物力學材料特性賦與此模型，在計算機中建立起虛擬的實驗標本，然后對模型進行實驗條件仿真（幾何約束、固定載荷、沖擊載荷、溫度特性等），模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、三點彎、抗疲勞等力學實驗條件，通過求解可以獲得該虛擬對象與實驗標本類似的獲生物力學指標，例如對象的剛度、任意部位的結構變形、應

4、力/應變分布、內(nèi)部能量變化、極限破壞等變化情況。5.1.2腰椎內(nèi)固定器械的力學性能評價及優(yōu)化設計 對于治療腰椎疾病的醫(yī)療器械來說，其力學性能的好壞往往決定了其臨床應用價值的大小，對于腰椎內(nèi)固定器械來說，它們的穩(wěn)定性、抗疲勞性是其設計者首先要考慮的因素。因此，對腰椎內(nèi)固定器械進行力學性能評價很重要。與實驗手段相比，利用有限元法進行的模擬實驗具有實驗時間短、費用少、模擬復雜條件、力學性能測試全面及可重復實驗等優(yōu)點。另外，利用有限元軟件的優(yōu)化設計功能，可以在保證腰椎內(nèi)固定器械的有效力學性能的前提下，對其結構、外形、材料特性等結構指標進行優(yōu)化，指導并改進腰椎內(nèi)固定器械的設計，達到節(jié)約材料、減小體積和重

5、量、獲得更好的結構特性等目標。5.2生物力學實驗與有限元模型研究的比較對于人體腰椎生物力學的研究有兩種方法：實驗或者模型化。實驗通?；趧游锛怪?、尸體脊柱或者人工脊柱模型，而模型化常使用數(shù)學或者計算機方法。當然每種方法各擅勝場。實驗方法能直接、直觀的獲得脊柱生物力學性能的信息，但是昂貴、煩瑣，而且標本的變異常影響到結果的可重復性，雖然變異本身既是脊柱重要的參數(shù)。相反，模型化研究具有實驗方法無法比擬的優(yōu)勢：它可根據(jù)需要產(chǎn)生無數(shù)個各種各樣的標本，同一個標本在虛擬計算中可進行無數(shù)次加載或組合而不會被損壞，標本也可以進行修正以模擬任何病理狀態(tài)。模型化也可以提供實驗不能得到的正常生理信息，例如椎間盤和椎

6、骨的應力分布。然而，模型化的難點在于生成一個有效而準確的模型，這個問題猶如脊柱本身一樣復雜。因此，數(shù)年來，建模工作持續(xù)進行。目前看來，研究的確到了一個臨界點，人們對脊柱的了解、建模的經(jīng)驗以及計算機的運算能力都有質(zhì)的飛躍，出現(xiàn)了一批機制良好的模型。5.3腰椎有限元模型應注意的兩個問題5.3.1在所有的腰椎有限元模型中，位移會比應力準確的多。因為應力源自于位移，而且對位移十分敏感。很少進行腰椎模型應力集中和精確值的詳盡計算，而焦點往往在與實驗側得偏移值對比以確定模型的有效性。在數(shù)據(jù)顯示整個模型的特性可信時，它并無法確定模型內(nèi)的應力集中和精確值。因為主流腰椎模型均采用相對較粗的網(wǎng)格劃分，所以在預測應

7、力絕對值時應持謹慎態(tài)度。當只需要進行定性分析時，上述結果已經(jīng)足夠。例如：對髓核摘除后的椎間盤進行模擬，只要提到在環(huán)部產(chǎn)生了兩倍的應力水平（假設），而不需要給出其絕對值。 5.3.2任何有限元模型都需要確認有效，但是往往相當困難。因個體之間和標本之間不可避免的存在變異。與實驗數(shù)據(jù)的比較需要小心解釋和分析，因為在實驗中往往是給予極度簡化的載荷，即使得出數(shù)據(jù)能證明模型有效，也不必定表示模型在人體內(nèi)復雜的載荷條件下能有效工作。因此，需要對模型進行仔細的分析，以確定不同參數(shù)的作用以及選擇關鍵性的參數(shù)。有限元模型化提供了我們正常生理功能的信息，減少了我們對動物和尸體實驗的依賴，是臨床研究不可缺少的工具?？梢灶A測將來患者個體化模型將用于病情評估以及術前術中設計。功能更加強大的計算機和軟件能夠自動從CT和MRI數(shù)據(jù)中提取特征參數(shù)或重要幾何細節(jié)，直接產(chǎn)生有限元模