行業：生物醫學

    挑戰：關節置換的生物力學問題

    Altair 解決方案：利用 HyperMesh 建立模型，使 用 OptiStruct 優化工具進行強 度和優化分析

    優點：快速建立骨骼模型 ;準確進行強度分析

    背景介紹 

    每年都有無數的人，不論他們的年齡和身體活動水平，都開始患有骨關節炎， 一種退化性關節疾病。隨著年齡的增長，關節軟骨酥軟開始惡化。由于摩擦相鄰的 骨關節頭部開始分解，引起骨關節疼痛。隨著病情的惡化和非手術療法無效時，外 科醫生會推薦關節置換。   

    挑戰 

    通常，醫生采用內襯塑料（作為軟骨）的鈦合金植入物并用螺釘固定。植入物 可以給病人新生機，并顯著降低疼痛。然而，病人自然會提出各種疑問：植入新關 節后我可以有多大的運動范圍? 我能恢復到什么程度? 新關節能使用多長時間? 

    位于加州拉荷亞的著名Scripps診所Shiley整形外科研究與教育中心（SCORE） 使用 Altair HyperWorks 軟件工具，讓患者的疑問得到很好的解答。   

   

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    “據我所知，HyperMesh 是唯一允許我們在復雜的有機骨表面和植入物的 CAD 表面劃分網格的軟件。 HyperMesh 做全部的建模處理。它將 Mimics 和我們的強度分析求解器連接起來?！?/p>

                                                                                                             Darryl D’Lima 博士 

                                                                                                             SCORE 研究中心主任                                                                                                              

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    解決方案

    肩關節成形術: 骨骼建模與導入

    “肩關節置換術是一個相當成功的手術，”骨科研究實驗室(ORL)主任DarrylD’Lima博士說，“但從工程學的角 度來看，對此仍然缺乏了解，一直存在植入物形狀設計問題。該手術通常只推薦年齡超過65歲的病人，因為植入物 維持時間不會超過20年。現在，我們使用HyperWorks來更好地理解涉及關節置換的生物力學。”

    “我們做了大約50個正常肩膀的電腦斷層掃描(CT)，并與50個肩關節置換病人的掃描進行對比?，F在，我們要 找出哪些植入特性對附著在骨骼上的固定器和肩關節功能最有利。這就需要引入HyperMesh建立模型?！?/p>

   科學家們使用三維圖像處理軟件 Mimics 來合并病人肩部 CT 圖像切片為 3D 立體圖并導出骨骼的表面。 

    “我們把骨骼表面作為 CAD 幾何的等效，”' D’Lima 博士說，“然后，我們在 HyperMesh 中創建了一個實體網格 并將其導入 Mimics 中?；?CT 掃描——致密堅硬的骨骼顏色顯示較白—— Mimics 以單元為基礎賦予材料屬性并將 文件導回 HyperMesh。這樣，我們就有一個賦有病人獨有的材料屬性的高保真表面?！?/p>

    HyperMesh：虛擬模擬肩部手術

    實驗室使用HyperMesh從病人肩部模型移除病變的骨骼并換成一個植入物，用骨接合劑固定在適當位置。 

    “據我所知，”D'Lima博士說，“HyperMesh是唯一允許我們在復雜的有機骨表面和植入物的CAD表面劃分網 格的軟件。HyperMesh做全部的建模處理。它將Mimics和我們的強度分析求解器連接起來。”

    骨科研究實驗室(ORL)對肩關節置換的研究在三個方面給骨科醫師帶來了幫助。首先,它幫助外科醫生為每位患者選擇最好的現成的植入物產品。其次它能幫助他們改進他們的手術技術。例如，骨科研究實驗室發現接合劑膜厚度從0.5毫米增加到2.0毫米可以改善應力分布，延長植入物的壽命。第三個方面的潛在的改進是附著物或固定器。一些植入物例如螺絲通過允許多達30°變化進入角的圓錐體植入骨骼。

    D'Lima博士說：“在過去，外科醫生會簡單地插入最長可能的螺絲到骨骼最厚的部分?，F在，我們可以告訴他們不僅要在骨骼最厚處，同時它更在最致密堅硬處。他們用我們的設備可以模擬該過程?！?/p>

    一個突破:建立半月板模型

    2005年，D'Lima博士和他的團隊正試圖建立半月板置換物模型，新月形的膝蓋軟骨經常被撕裂。這是一個困難 的為期兩周的過程。

    該團隊在一個建模包中制造了一個半月板的輪廓，并把它導入到一個前處理器中。在將網格導入求解器之前以網 格為基礎改變模型。每次他們想改變曲率或厚度，都需要重新開始建模過程。

    D'Lima說，“Altair的客戶經理TerrenceSmith告訴我HyperMesh能在更短的時間內做我們需要做的。我告訴 他我不相信，我想要這個半月板和照片上的一樣。不僅要匹配形狀而且要在不同的方向賦材料屬性。單元的方向是至 關重要的。Smith大約一兩天后將模型傳了過來。通過一些指導，我們得到了驚人的結果。事實證明我們可以做到我們想要的?！?/p>

    D'Lima博士現在開始處理從核磁共振成像(MRI)分割出來的病人半月板的3D圖像。用HyperMesh建立整個膝蓋的有限元分析模型。他使用網格變形技術來調整參數確定形狀改變是如何影響接觸應力的，通過數字模擬技術得到更好的半月板形狀。下一步：他使用HyperStudy運行優化來進一步了解他可以改變多少形狀參數。

    OptiStruct:建立強度優化模型

    現在，大量的研究都集中在發展壽命更長的關節假體。但是骨強度也會影響植入體的壽命。如果來自植入物的壓力過高則會侵蝕骨骼。如果壓力過低，骨細胞所受刺激不夠。植入物周圍的骨細胞解散使植入物松弛。這是一個生物 過程很難建立合適的模型。D'Lima博士正在使用AltairOptiStruct來解決此問題。

    D'Lima博士說：“OptiStruct有兩個功能：拓撲和形狀優化，我們用這兩個功能來看是否可以得到一個最優的應力傳遞結果，建立骨骼網格模型，傳遞載荷到假肢上。如果我們可以模擬這一過程。我們就可以模擬一個植入物的強度問題，這不僅關系到最初的外科手術的決定，也關系到長期使用的最佳反應。”

    結論 

    SCORE整形研究實驗室所有這些研究的路徑導向同一方向：為退化性關節疾病患者設計更好、更持久的植入物。HyperWorks已經成為這項工作的關鍵工具，每天都在影響數百萬人的生活質量。 

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