基于生物醫學圖像植入建模設計
植入設計的限制
關節置換（人工關節）已成為一種較為常見的產品。隨著人口老齡化的發展，人的壽命已經超過了天然關節的壽命。雖然現在正在接受治療的關節也越來越多，如肩，肘，踝關節，但這些經常用到人工關節的地方是髖關節和膝關節。不管關節的位置如何，該過程通常涉及病人病變或受損的關節的移除，取而代之的是將金屬、塑料或陶瓷軸承表面連接到一個固定在周圍骨上的金屬支撐結構。
骨骼是一個復雜的復合材料，由于復雜的底層結構，它是各向異性的堅硬致密的殼封裝的蜂窩結構。 “塊狀”金屬的引入，因為較硬的金屬傳遞載荷對關節的載荷傳遞路徑有較大的影響。由于這種卸載骨的生物響應是被再吸收的，因此這個區域減小了密度。這就聯系到觀察的最常見的失效機制，減小植入固定、疼痛甚至骨折的可能性。
解決方案
該問題的解決方案是降低植入物的剛度，從而縮小金屬和骨之間的區別。要做到這一點，可通過改變構件材料；但是植入人體的材料有極其嚴格的規定與限制。針對優化植入物的外輪廓，已經做了很多工作，比如將構件做成半實心或空心的方法來降低剛度。傳統的制造工藝已經不適合建立這樣一個空心或內部微架構的結構，但最近發展的金屬額外層制造技術或三維打印開辟了解決的可能性。
使用SimpleWare和Marc來建模和分析新植體結構
英國南安普敦大學的Mark Taylor教授和 Simpleware 已經合作研究通過降低股骨假體剛度來影響股骨髖關節置換手術中的載荷傳遞。
SimpleWare提供了世界領先的解決方案，將3D影像數據轉換成高品質的3D打印、CAD, FEA和CFD的表面和體積網格。該軟件被用來建立與外部相同植入設計的股骨模型，但結構或是實體或是空心或是包含微觀結構組織。
SimpleWare中的ScanIPTM模塊被用來生成健康男性的臨床CT掃描的股骨模型。一旦生成3D股骨，可以通過使用3D編輯工具來修改從而模擬外科手術，比如除去股骨頭。Simpleware的+CAD模塊被用來導入和定位基本的CAD植入圖像(圖1)。
一旦定位成功，植入的CAD模型可用于創建初步檢查的三個實例；模型A是一個實心的桿狀結構，模型B是空心的桿狀結構，模型C具備特殊的內部結構。模型B和C的內部細節通過SimpleWare的Internal StructuresWizard來創建。該工具允許用戶以交互選擇的方式從已有數據庫中選擇一個單元細胞的形狀，以便完成任意體積的建模，定義單位尺寸的細胞、體積分數和外部殼狀結構的厚度。
SimpleWare強大而靈活的網格化算法用于幾何模型網格劃分。SimpleWare已經發展到將通過CT,μCT和MRI體積成像捕捉到的任意復雜結構進行重建和網格劃分。因此，創建內部結構復雜的微結構是可能的（圖2）。 在骨骼和植入物之間的接觸界面， 每個網格產生了匹配的節點和單元， 具有較高的網格質量， 可以用MSC軟件公司的Marc非線性模擬軟件進行直接求解。
SimpleWare輸出一個輸入文件，不僅僅包含網格數據，還有直接從圖像得到的股骨材料特性。圖像中灰色區域的數據與結構的骨質密度之間存在線性的關系，同時研究表明密度與彈性模量之間也存在聯系。
可通過SimpleWare進行簡便設置的這些因素允許股骨不均勻材料的材料特性的影響，從而包含到后續分析中（圖3）。
結果
將模型直接的導入到Marc中進行分析，設置相同的邊界條件和載荷，模擬股骨在正常行走時的峰值力。結果通過選擇von Mises等效應力圖來對比植入體和骨骼之間的三種配置的不同效果。
結果表明，模型A這種常用的實心體結構傳遞主要的載荷到圍繞下端的骨頭。骨頭上的應力減小到很低，尤其是內側（圖像的左邊）。這可能會導致這個區域的骨頭損失。
模型B空心桿和模型C結構性桿，顯示出改善的應力分布，沿著植入體的長度載荷傳遞更均勻。這將有望使骨溶解的可能性變得更小， 并減少相關并發癥。
然而，空心桿是一個極端的例子，由于其存在屈曲的可能性導致其不能進行實際運用。SimpleWare可以對內部微觀結構進行簡單的設計，并在分析中使用模型可以直接傳送到3D打印機。與實心結構相比，該結構降低了構件的重量和鋼度。傳統的方法是不能夠制造這樣的結構的，但是金屬激光燒結機可以建立這樣的層狀結構。
初步研究表明，新的制造技術將可能解決那些長期以來無法解決的難題。SimpleWare和Marc相結合已經能夠進行改善植入設計的理論方法的測試。建立的工作流程將使未來的研究可以進一步探尋這個概念，因為將圖像到CAD模型集成到內部結構來求解的流程是簡單和穩健的。 進一步的工作是能夠擴展研究范圍， 例如比較不同內部結構設計和密度，并推進進一步地分析，包括植入體健康狀況的預測，如它與周圍骨之間的微運動。（轉）
工程師必備
- 項目客服
- 培訓客服
- 平臺客服
TOP
