醫院骨科醫生和ANSYS有限元分析

2016-10-23 by:CAE仿真在線來源:互聯網

近期《歡樂頌》的熱播,凱凱王飾演的上海六院骨科趙醫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生的顏,更有趙醫生的專業的醫學背景知識。如果骨科醫生會仿真,撩妹會不會更甚一籌呢,讓ANSYS 工程師教你如何把仿真知識應用于骨科實踐中。

采用ANSYS Mechanical開發出新型脊柱設備系統

問題:

手術對于患有嚴重脊柱側凸變形的病人而言非常有必要。在椎骨中插入螺釘,并在螺釘內放置固定棒,用于矯正冠狀、矢狀和橫斷面上的脊柱側凸。這類手術的過程相當復雜,并會在螺釘與椎骨接觸面上生成很大的力,有時候會導致螺釘在手術中或手術后拔出而給患者帶來嚴重的并發癥。因此,制造脊柱設備系統(螺釘、固定棒和手術工具)的公司不斷嘗試開發新的設備以減小螺釘與椎骨接觸面上的力,從而降低患者的風險。

解決方案:

Spinologics使用ANSYS Mechanical APDL語言創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組成部分(椎骨、椎間盤、韌帶、關節面等)。模擬新的脊柱固定系統,并仿真手術步驟,以便對新系統與現有通用的脊柱設備就矯正潛力、螺釘–椎骨接觸面上的力以及固定棒應力等幾個方面進行評估和比較。與通用系統相比,在將脊柱側凸校正到相同角度時新系統可將螺釘–椎骨接觸面上的力減小40%。
商業收益:ANSYS仿真可提供在實際脊柱手術過程中無法獲得的寶貴數據。這些仿真讓Spinologics完成了三篇經同行審閱的科技文章,并證明了新型脊柱固定系統的優勢。憑借仿真技術能夠更好地了解脊柱側凸手術中的生物力學問題,可在不遠的將來降低此類手術的風險。
使用軟件:

ANSYS Mechanical

使用ANSYS Workbench開發包含23塊人體肌肉和韌帶的脊柱-盆骨-股骨復合結構,用以進行結構仿真。問題:

不穩定的骨盆骨折經常與高死亡率和發病率聯系在一起。有兩種不同的固定裝置可被應用于骨折治療。但是由于患者的骨質量和幾何結構通常存在很大差異,因此很難評估兩種裝置在人體內的生物力學性能表現。此外,患者的各種不同姿勢也會顯著影響兩種固定裝置和人體骨骼的生物力學性能表現。NTUST相信計算機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和人體姿勢,NTUST使用ANSYS Workbench開發包含23塊人體肌肉和韌帶的脊柱-盆骨-股骨復合結構,用以進行結構仿真。非線性接觸條件和164個張力彈簧分別用來仿真骨骼植入面、人體肌肉和韌帶。對完整模型、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)的骨折模型進行仿真和研究。這樣便可提供與人體骨骼的最大應力、不同固定裝置的最大應力以及不同固定技術的固定穩定性相關的數據。結果顯示所有固定技術都能提供所需的固定穩定性。后段髂骶螺釘和骶骨棒在骨盆應力和植入強度方面都有較好的生物力學性能表現。

NTUST相信這是首個考慮了脊柱-盆骨-股骨復合結構以及骨盆固定裝置真實幾何結構的模型。此外,數值模型還可用于研究不同的人體姿勢(例如上樓、下樓和站立姿勢等)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,由于骨骼幾何結構和骨質的顯著變化,難以在活體內評估其生物力學效果。此外,過去為頸部開發的數值模型為了縮短計算時間過于簡化。

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。研究人員針對四種情況分析該模型的生物力學性能: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治療后的退行性模型、使用人工椎間盤置換手術治療后的退行性模型。通過比較活動范圍、椎間盤最大應力、骨骼最大應力和頸椎修復裝置的最大應力,顯示出與前椎間盤移除和脊柱融合手術相比,人工椎間盤置換手術能減輕脊柱相鄰節段的退行性。

使用的軟件:

ANSYS Workbench

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