醫(yī)院骨科醫(yī)生和ANSYS有限元分析

2016-10-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

近期《歡樂頌》的熱播,凱凱王飾演的上海六院骨科趙醫(yī)生把混世魔王曲筱綃迷得是七葷八素。迷倒曲筱綃的可不僅僅是趙醫(yī)生的顏,更有趙醫(yī)生的專業(yè)的醫(yī)學(xué)背景知識(shí)。如果骨科醫(yī)生會(huì)仿真,撩妹會(huì)不會(huì)更甚一籌呢,讓ANSYS 工程師教你如何把仿真知識(shí)應(yīng)用于骨科實(shí)踐中。

采用ANSYS Mechanical開發(fā)出新型脊柱設(shè)備系統(tǒng)

問題:

手術(shù)對(duì)于患有嚴(yán)重脊柱側(cè)凸變形的病人而言非常有必要。在椎骨中插入螺釘,并在螺釘內(nèi)放置固定棒,用于矯正冠狀、矢狀和橫斷面上的脊柱側(cè)凸。這類手術(shù)的過程相當(dāng)復(fù)雜,并會(huì)在螺釘與椎骨接觸面上生成很大的力,有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致螺釘在手術(shù)中或手術(shù)后拔出而給患者帶來嚴(yán)重的并發(fā)癥。因此,制造脊柱設(shè)備系統(tǒng)(螺釘、固定棒和手術(shù)工具)的公司不斷嘗試開發(fā)新的設(shè)備以減小螺釘與椎骨接觸面上的力,從而降低患者的風(fēng)險(xiǎn)。

解決方案:

Spinologics使用ANSYS Mechanical APDL語言創(chuàng)建特定患者的脊柱和骨盆有限元模型,其中包含所有解剖學(xué)組成部分(椎骨、椎間盤、韌帶、關(guān)節(jié)面等)。模擬新的脊柱固定系統(tǒng),并仿真手術(shù)步驟,以便對(duì)新系統(tǒng)與現(xiàn)有通用的脊柱設(shè)備就矯正潛力、螺釘–椎骨接觸面上的力以及固定棒應(yīng)力等幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估和比較。與通用系統(tǒng)相比,在將脊柱側(cè)凸校正到相同角度時(shí)新系統(tǒng)可將螺釘–椎骨接觸面上的力減小40%。
商業(yè)收益:ANSYS仿真可提供在實(shí)際脊柱手術(shù)過程中無法獲得的寶貴數(shù)據(jù)。這些仿真讓Spinologics完成了三篇經(jīng)同行審閱的科技文章,并證明了新型脊柱固定系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。憑借仿真技術(shù)能夠更好地了解脊柱側(cè)凸手術(shù)中的生物力學(xué)問題,可在不遠(yuǎn)的將來降低此類手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。
使用軟件:

ANSYS Mechanical

使用ANSYS Workbench開發(fā)包含23塊人體肌肉和韌帶的脊柱-盆骨-股骨復(fù)合結(jié)構(gòu),用以進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真。問題:

不穩(wěn)定的骨盆骨折經(jīng)常與高死亡率和發(fā)病率聯(lián)系在一起。有兩種不同的固定裝置可被應(yīng)用于骨折治療。但是由于患者的骨質(zhì)量和幾何結(jié)構(gòu)通常存在很大差異,因此很難評(píng)估兩種裝置在人體內(nèi)的生物力學(xué)性能表現(xiàn)。此外,患者的各種不同姿勢(shì)也會(huì)顯著影響兩種固定裝置和人體骨骼的生物力學(xué)性能表現(xiàn)。NTUST相信計(jì)算機(jī)仿真可以公正有效地解決這一問題。

解決方案:

為了分析不同的骨盆固定技術(shù)和人體姿勢(shì),NTUST使用ANSYS Workbench開發(fā)包含23塊人體肌肉和韌帶的脊柱-盆骨-股骨復(fù)合結(jié)構(gòu),用以進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真。非線性接觸條件和164個(gè)張力彈簧分別用來仿真骨骼植入面、人體肌肉和韌帶。對(duì)完整模型、骨折模型以及植入了三種骨盆固定裝置(包括后段髂骶螺釘、骶骨棒和鎖定加壓鋼板)的骨折模型進(jìn)行仿真和研究。這樣便可提供與人體骨骼的最大應(yīng)力、不同固定裝置的最大應(yīng)力以及不同固定技術(shù)的固定穩(wěn)定性相關(guān)的數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示所有固定技術(shù)都能提供所需的固定穩(wěn)定性。后段髂骶螺釘和骶骨棒在骨盆應(yīng)力和植入強(qiáng)度方面都有較好的生物力學(xué)性能表現(xiàn)。

NTUST相信這是首個(gè)考慮了脊柱-盆骨-股骨復(fù)合結(jié)構(gòu)以及骨盆固定裝置真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)的模型。此外,數(shù)值模型還可用于研究不同的人體姿勢(shì)(例如上樓、下樓和站立姿勢(shì)等)的影響。

使用軟件:ANSYS Workbench

采用ANSYS Workbench為擁有160塊骨骼和軟組織以及30塊肌肉和韌帶的人體上半身建模難題:

頸椎(頸部)間盤退行性疾病最常見的癥狀是頸部疼痛和僵硬。雖然有多種可用的外科方法,由于骨骼幾何結(jié)構(gòu)和骨質(zhì)的顯著變化,難以在活體內(nèi)評(píng)估其生物力學(xué)效果。此外,過去為頸部開發(fā)的數(shù)值模型為了縮短計(jì)算時(shí)間過于簡(jiǎn)化。

解決方案:

研究人員采用ANSYS Workbench為擁有160塊骨骼和軟組織以及30塊肌肉和韌帶的人體上半身建模。超彈性物質(zhì)可仿真椎間盤,使用僅承受張力的彈簧代表肌肉和韌帶。研究人員針對(duì)四種情況分析該模型的生物力學(xué)性能:完好(無疾病)模型、未治療的退行性模型、通過前椎間盤移除和脊柱融合手術(shù)治療后的退行性模型、使用人工椎間盤置換手術(shù)治療后的退行性模型。通過比較活動(dòng)范圍、椎間盤最大應(yīng)力、骨骼最大應(yīng)力和頸椎修復(fù)裝置的最大應(yīng)力,顯示出與前椎間盤移除和脊柱融合手術(shù)相比,人工椎間盤置換手術(shù)能減輕脊柱相鄰節(jié)段的退行性。

使用的軟件:

ANSYS Workbench

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才