有限元醫(yī)學(xué)應(yīng)用案例：全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后通過對股四頭肌肌力進行計算分析來改善患者的膝關(guān)節(jié)屈曲度

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

項目介紹

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。患者膝關(guān)節(jié)無法自由伸展/屈曲,對其行走、抬腿或從座位站起等日?；顒釉斐娠@著影響。這種膝關(guān)節(jié)活動嚴(yán)重受限的情況是需要進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)研究組通過應(yīng)用基于HyperWorks的有限元分析,評估了髕骨扣狀物厚度對股四頭肌肌力變化程度造成的影響。

50多年來,克萊姆森大學(xué)生物工程系始終注重對學(xué)生、教師和研究人員進行培養(yǎng),為他們在理論知識、專業(yè)技能和個人發(fā)展上提供了諸多寶貴機遇。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,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)和南卡羅來納醫(yī)科大學(xué)還在南卡羅來納州的查爾斯頓共同啟動了生物工程項目,這使雙方的合作關(guān)系進一步加強。

挑戰(zhàn)

此項研究所面臨的挑戰(zhàn)是,如何使用計算分析來量化評估膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展過程中髕骨扣狀物厚度對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)后通過對股四頭肌肌力進行計算分析來改善患者的膝關(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° 時的股四頭肌變形情況

用于進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估髕骨扣狀物厚度對股四頭肌肌力大小和變化造成的影響。在研究過程中,Xin Xie利用Altair HyperMesh構(gòu)建出極為精細(xì)的膝關(guān)節(jié)3D模型。通過對中等體型尸體的下肢進行MRI重建,可構(gòu)建能夠代表人體真實膝關(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進行校正。通過實驗測試數(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,采用運動跟蹤系統(tǒng)定義膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展過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)建兩個厚度變化范圍在2毫米之間的髕骨扣狀物,從而得到三個有限元模型。對這三個模型進行準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析,利用分析結(jié)果即可計算出每個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° 時股四頭肌肌力的整體變化情況

結(jié)論

針對完整行走步態(tài)下膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展過程中的全部股四頭肌肌腱進行VonMises應(yīng)力分布計算。對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°) 時達到峰值。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:

?接受TKA手術(shù)后,較厚的髕骨會導(dǎo)致股四頭肌肌腱繃緊

?較薄的髕骨可能會造成力矩臂失效,使膝關(guān)節(jié)伸肌裝置發(fā)生功能障礙,進而導(dǎo)致TF大小發(fā)生異常。為了得出最佳厚度值,在進一步計算研究過程中,應(yīng)考慮各種厚度的髕骨扣狀物對膝關(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)后通過對股四頭肌肌力進行計算分析來改善患者的膝關(guān)節(jié)屈曲度hypermesh技術(shù)圖片6