隨著年齡的增長，骨量會逐漸減少，骨骼失去了鈣和其他礦物質(zhì)，變得更輕，密度更小，氣孔也更多。伴隨著這一過程的持續(xù)，我們的骨骼變得越來越脆弱，也進(jìn)一步增加了骨折的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)骨密度(BMD)，即單位體積骨骼中礦物質(zhì)的濃度低于臨界值時(shí)，就被稱為骨質(zhì)疏松癥。

目前，醫(yī)生通過測量骨密度，結(jié)合各種方法，如CT掃描或X光的身體檢查和其他生理參數(shù)，如性別、年齡、體重等來評估骨折風(fēng)險(xiǎn)。這些診斷方法主要是定性的，沒有考慮到椎骨的各種力學(xué)因素，如形狀、皮質(zhì)骨厚度、皮質(zhì)骨的密度分布(椎骨的外部區(qū)域)、松質(zhì)骨的密度分布(椎骨的內(nèi)部區(qū)域)、骨組織的材料特性等。

骨質(zhì)疏松癥的治療是復(fù)雜、費(fèi)力、昂貴的，患者也將面臨副作用的風(fēng)險(xiǎn)。目前診斷骨折風(fēng)險(xiǎn)的方法不夠精確，這意味著可能有許多患者在骨折風(fēng)險(xiǎn)很低的情況下依然接受了此類治療。所以醫(yī)療專業(yè)人員需要更準(zhǔn)確的方法來確定骨折風(fēng)險(xiǎn)，該方法應(yīng)考慮患者的個(gè)體特征，以評估各種可能治療的潛在回報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)。

Infosys團(tuán)隊(duì)由高級工程小組首席顧問Datatraya Parle和工程分析師Anirudha Ambulgekar組成，他們與印度孟買的放射科醫(yī)生Ketan Gaikwad博士合作，目標(biāo)是利用計(jì)算技術(shù)模擬椎骨結(jié)構(gòu)中實(shí)際發(fā)生的生物力學(xué)變化，以量化骨折的風(fēng)險(xiǎn)，這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)也是利用機(jī)械工程的一些最佳實(shí)踐來解決生物醫(yī)學(xué)工程中的問題。

Infosys團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和有限元分析（FEA）工具開發(fā)了一種解決方案，以研究椎骨的力學(xué)特性，同時(shí)考慮了各種因素，如皮質(zhì)骨/松質(zhì)骨的形狀、密度分布以及骨組織和孔隙度的其他材料特性。Infosys開發(fā)的創(chuàng)新解決方案應(yīng)用了機(jī)械工程的成熟原理，以了解人體椎骨的生物力學(xué)，并減少骨折風(fēng)險(xiǎn)評估的誤差范圍。該解決方案有助于從業(yè)者對骨骼進(jìn)行詳細(xì)、無創(chuàng)的研究，定量分析椎骨骨折風(fēng)險(xiǎn)。

收益：

? 使用MSC Nastran研究椎骨的力學(xué)特性，同時(shí)考慮各種因素，如皮質(zhì)/松質(zhì)骨的形狀、密度分布以及骨組織和孔隙度的其他材料特性；

? 該解決方案幫助從業(yè)者以詳細(xì)和無創(chuàng)的方式研究骨骼，定量分析椎骨的骨折風(fēng)險(xiǎn)；

? 通過模擬計(jì)算的應(yīng)力，在確定骨折風(fēng)險(xiǎn)方面比傳統(tǒng)的BMD測量可提供更準(zhǔn)確的評估。

Infosys團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)老年骨質(zhì)疏松患者椎骨的50張計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）圖像，這些CT掃描圖像用于生成患者特定的3D CAD模型，該模型包含患者椎骨孔隙的確切形狀和大小。在使用CAD模型進(jìn)一步用FEA進(jìn)行斷裂風(fēng)險(xiǎn)分析之前，將CAD模型校準(zhǔn)到實(shí)際尺寸大小。

圖：在導(dǎo)出模型到Patran之前，CAD模型被校準(zhǔn)到實(shí)際尺寸

Infosys選擇MSC Nastran解決此問題，因?yàn)樗菑V泛使用的FEA求解器之一，并已獲得FAA和其他監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。在本項(xiàng)目中，有限元分析工具的精度非常重要，因?yàn)橐坏┰摲椒ǖ玫礁浞值拈_發(fā)，關(guān)鍵的醫(yī)療決策就可以基于FEA結(jié)果。結(jié)果必須快速生成，以便做出診斷決定，沒有時(shí)間來評估FEA軟件的準(zhǔn)確性。基于經(jīng)驗(yàn)和聲譽(yù)，Infosys工程師對MSC Nastran的結(jié)果充滿信心。

Infosys的工程師通過考慮骨質(zhì)疏松患者椎骨的實(shí)際形狀和尺寸的3D模型，使用Patran中的CTETRA單元創(chuàng)建了FEA模型，保持網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)以提高分析精度。從文獻(xiàn)關(guān)于皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的物理測試結(jié)果中獲得了兩種類型的材料特性，該研究在腰椎直立坐姿時(shí)使用了1000N 的壓力，這是文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的典型值。盡管這有點(diǎn)保守，然而，負(fù)荷很大程度上取決于身體的姿勢。椎骨的底部是固定的。考慮到孔隙的形狀、大小和材料特性，所以使用椎骨中產(chǎn)生的壓應(yīng)力來計(jì)算患者特定的骨折風(fēng)險(xiǎn)系素。

圖：Patran中椎骨的網(wǎng)格模型

 圖：椎骨出現(xiàn)的壓應(yīng)力模式

Infosys開發(fā)的骨質(zhì)疏松癥創(chuàng)新解決方案使用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和FEA分析來定量評估椎骨骨折風(fēng)險(xiǎn)。通過模擬計(jì)算的應(yīng)力在確定骨折風(fēng)險(xiǎn)方面提供了比傳統(tǒng)BMD測量更準(zhǔn)確的評估，它應(yīng)用了機(jī)械工程中的最佳實(shí)踐來理解椎骨的生物力學(xué)特性。

Ketan Gaikwad博士表示：“通過Infosys的這一新解決方案，醫(yī)生可以準(zhǔn)確地確定個(gè)體病例中骨質(zhì)疏松癥疼痛的病理生理學(xué)，這將幫助我們選擇對患者更合適的、特定的治療方法。”

圖：用于創(chuàng)建CAD模型的50張CT掃描圖像中的24張