MSC Nastran助力Infosy公司精確評估骨折風險

2023年4月25日 16:57
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MSC Nastran助力Infosy公司精確評估骨折風險的圖1

項目背景

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，變得更輕，密度更小，氣孔也更多。伴隨著這一過程的持續，我們的骨骼變得越來越脆弱，也進一步增加了骨折的風險。當骨密度(BMD)，即單位體積骨骼中礦物質的濃度低于臨界值時，就被稱為骨質疏松癥。
目前，醫生通過測量骨密度，結合各種方法，如CT掃描或X光的身體檢查和其他生理參數，如性別、年齡、體重等來評估骨折風險。這些診斷方法主要是定性的，沒有考慮到椎骨的各種力學因素，如形狀、皮質骨厚度、皮質骨的密度分布(椎骨的外部區域)、松質骨的密度分布(椎骨的內部區域)、骨組織的材料特性等。
MSC Nastran助力Infosy公司精確評估骨折風險的圖2

項目挑戰

骨質疏松癥的治療是復雜、費力、昂貴的，患者也將面臨副作用的風險。目前診斷骨折風險的方法不夠精確，這意味著可能有許多患者在骨折風險很低的情況下依然接受了此類治療。所以醫療專業人員需要更準確的方法來確定骨折風險，該方法應考慮患者的個體特征，以評估各種可能治療的潛在回報和風險。
Infosys團隊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生Ketan Gaikwad博士合作，目標是利用計算技術模擬椎骨結構中實際發生的生物力學變化，以量化骨折的風險，這個項目的目標也是利用機械工程的一些最佳實踐來解決生物醫學工程中的問題。

解決方案

Infosys團隊利用計算機輔助設計（CAD）和有限元分析（FEA）工具開發了一種解決方案，以研究椎骨的力學特性，同時考慮了各種因素，如皮質骨/松質骨的形狀、密度分布以及骨組織和孔隙度的其他材料特性。Infosys開發的創新解決方案應用了機械工程的成熟原理，以了解人體椎骨的生物力學，并減少骨折風險評估的誤差范圍。該解決方案有助于從業者對骨骼進行詳細、無創的研究，定量分析椎骨骨折風險。
收益：
? 使用MSC Nastran研究椎骨的力學特性，同時考慮各種因素，如皮質/松質骨的形狀、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者以詳細和無創的方式研究骨骼，定量分析椎骨的骨折風險；
? 通過模擬計算的應力，在確定骨折風險方面比傳統的BMD測量可提供更準確的評估。
Infosys團隊使用了一個老年骨質疏松患者椎骨的50張計算機斷層掃描（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模型進一步用FEA進行斷裂風險分析之前，將CAD模型校準到實際尺寸大小。
MSC Nastran助力Infosy公司精確評估骨折風險的圖3
圖：在導出模型到Patran之前，CAD模型被校準到實際尺寸
Infosys選擇MSC Nastran解決此問題，因為它是廣泛使用的FEA求解器之一，并已獲得FAA和其他監管機構的認證。在本項目中，有限元分析工具的精度非常重要，因為一旦該方法得到更充分的開發，關鍵的醫療決策就可以基于FEA結果。結果必須快速生成，以便做出診斷決定，沒有時間來評估FEA軟件的準確性?；诮涷灪吐曌u，Infosys工程師對MSC Nastran的結果充滿信心。
Infosys的工程師通過考慮骨質疏松患者椎骨的實際形狀和尺寸的3D模型，使用Patran中的CTETRA單元創建了FEA模型，保持網格質量參數以提高分析精度。從文獻關于皮質骨和松質骨的物理測試結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使用了1000N 的壓力，這是文獻中發現的典型值。盡管這有點保守，然而，負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，所以使用椎骨中產生的壓應力來計算患者特定的骨折風險系素。
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圖：Patran中椎骨的網格模型
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圖：椎骨出現的壓應力模式

結果

Infosys開發的骨質疏松癥創新解決方案使用了計算機輔助設計和FEA分析來定量評估椎骨骨折風險。通過模擬計算的應力在確定骨折風險方面提供了比傳統BMD測量更準確的評估，它應用了機械工程中的最佳實踐來理解椎骨的生物力學特性。
Ketan Gaikwad博士表示：“通過Infosys的這一新解決方案，醫生可以準確地確定個體病例中骨質疏松癥疼痛的病理生理學，這將幫助我們選擇對患者更合適的、特定的治療方法。”
MSC Nastran助力Infosy公司精確評估骨折風險的圖6
圖：用于創建CAD模型的50張CT掃描圖像中的24張


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