膝關節置換的案例
利用HyperMesh 構建自然膝關節模型
全膝關節置換術后通過對股四頭肌肌力 進行計算分析來改善患者的膝關節屈曲度
行業：醫療/生物力學
挑戰：如何使用計算分析來量化評估 膝關節屈曲/伸展過程中髕骨扣 狀物厚度對股四頭肌肌力變化所造成的影響。
Altair 解決方案：利用AltairHyperMesh構建出極為精細的膝關節3D模型后進行 有限元分析。
優點：能夠構建代表人體真實膝關節 結構的基本3D模型。
背景介紹
膝前疼痛是全膝關節置換術(TKA)的主要術后并發癥。患者膝關節無法自由伸 展/屈曲，對其行走、抬腿或從座位站起等日常活動造成顯著影響。這種膝關節活動嚴重受限的情況是需要進TKA翻修術最常見的適應癥之一。導致這一狀況的原因是手術過程中膝關節髕骨組件尺寸欠佳——這一“紐扣狀”組件的作用是改善股四頭肌伸展力的機械性能。克萊姆森大學生物工程系生物力學研究組通過應用基于HyperWorks的有限元分析，評估了髕骨扣狀物厚度對股四頭肌肌力變化程度造成的影響。
50多年來，克萊姆森大學生物工程系始終注重對學生、教師和研究人員進行 培養，為他們在理論知識、專業技能和個人發展上提供了諸多寶貴機遇。所有教師均擁有豐富的本科生和研究生科研指導經驗，在他們的帶領下，生物工程系的學生能夠有效利用工程原理來了解和治療疾病。此外，該系還與多名醫師和企業家展開合作，確保其研究課題始終著眼于高優先級的醫療挑戰。在系主任MartineLaBerge 博士的領導下，克萊姆森大學和南卡羅來納醫科大學還在南卡羅來納州的查爾斯頓共同啟動了生物工程項目，這使雙方的合作關系進一步加強。
展開 基于ABAQUS的人工膝關節置換假體位移控制接觸模型仿真
基于ABAQUS的人工膝關節置換假體位移控制接觸模型仿真
軟件版本：ABAQUS2019
模型運動條件：ISO14243-3-2014
基于ABAQUS的人工膝關節置換假體力控制接觸模型仿真
基于ABAQUS的人工膝關節置換假體力控制接觸模型仿真
軟件版本：ABAQUS2019
模型運動條件：ISO 14243-1 2009
增材制造在骨科領域持續創造效益
Smith&Nephew 使用了 3D 打印的切割導板，這些輔助導板簡化了膝關節手術步驟。而這些省掉的步驟在 Smith& Nephew 原來的膝關節置換手術中就占了四分之一4。
圖1 BodyCad的3D打印切割輔助簡化了膝關節置換手術的手術步驟
與機械零件或設備不同，人體組織都是個性化的。例如，將近 500 萬美國人5 經歷了膝關節置換手術。術后，他們的生活質量和基本運動能力在很大程度上取決于手術的精確度。通用的手工工具目前依舊是按現有標準方案執行，與此同時，增材制造在個性化手術中已經成為一種低成本和高精度的手段，并可實現大規模定制。
另一個例子是 Bodycad，該公司生產定制的骨科修復產品，他們利用 3D 成像技術，精確地繪制出病人的膝蓋。然后，Bodycad 使用 3D 打印技術來精確的定制切割工具(圖1)和替換假肢(圖2)。實驗室數據顯示，這些切割輔助比手持工具更精確，和機器人輔助系統一樣精確，但省卻了機器人的固定設備成本的投入6。
每次手術中，增材制造生產的膝蓋切割輔助可以節省 900 多美元7，這些案例直接使手術時間縮短了 3 周，手術中減少了 21 個步驟8。與標準的全膝關節置換手術相比，增材制造在減少手術步驟、減少手術時間的同時，降低了成本。更重要的是，它使外科醫生能夠通過更精確的方法來保存骨骼和組織，從而提高病人的長期療效。
圖2 Bodycad使用3D打印技術來制造精確的假體置換
增材制造的臨床進展
增材制造越來越多地應用于臨床修復學，為創造個性化的手術體驗提供了新的機會，以滿足患者獨特的需求。例如，它允許工程師簡化過程，比如在植入物中添加一個多孔的表層，以確保更好的骨整合，從而使得患者的骨更好在其中生長。
展開 
愛康醫療2020年營收10.35億元，骨科3D打印植入物產品達1.2億元
同時南極熊發現，3D打印產品占比12.2%， 其中3D打印髖關節仍保持了21.8%的快速增長。。
受COVID-19疫情影響，增長速度明顯放緩。截至2020年12月31日止年度，愛康醫療實現收入人民幣10.35億元，較2019年增長11.7%，2020年年報凈利31400.70萬元，淨溢利亦較2019年增加17.6%。收入的持續增長一方面是公司借助3D打印技術和3D ACT平臺樹立品牌形象，有效地推動了3D打印產品和常規髖膝關節產品的銷售所致。另一方面，集團新收購理貝爾后，快速拓展了脊柱和創傷內植入物業務，使得銷售收入增加。
髖膝關節置換內植入物產品
髖膝關節置換內植入物產品產品包括膝關節置換內植入物及髖關節置換內植入物。髖關節置換內植入物于截至2020年12月31日止年度錄得收入為人民幣571.0百萬元，較截至2019年12月31日止年度的人民幣544.4百萬元增長了4.9%。該增長乃由于集團借助3D打印技術和已在市場上樹立的良好品牌形象，使得髖關節置換內植入物銷量增長所致。于相同期間，由于新冠疫情導致來自英國的JRI收入下降部分抵銷了中國市場的收入增長。膝關節置換內植入物于截至2020年12月31日止年度錄得收入為人民幣258.0百萬元，較截止2019年12月31日止年度的人民幣229.7百萬元增長了12.3%，該增長主乃由于集團借助AHK等疑難複雜膝關節手術解決方案的上市，進一步鞏固了集團在膝關節全面解決方案提供者的品牌形象，促進了高性價的膝關節產品銷量增長所致。
金屬3D打印植入物產品
3D打印產品主要包括3D打印髖關節置換內植入物、 3D打印人工椎體及椎間融合器和3D打印人工骨盆植入物。
展開 3D打印器官能否跨越技術與法規障礙，解決移植器官短缺問題？
- 膝關節軟骨可以保護膝關節半月板，軟骨過度使用及磨損可能導致膝關節炎，嚴重的患者需要接受膝關節置換手術，植入金屬人造膝關節植入物。但是膝關節置換手術非常昂貴，并且使用壽命有限，如果盡早移植帶有活性的3D打印半月板，將減少膝關節出現永久性損壞的可能性，并減少治療費用。
這類相對簡單的3D打印人體組織的研究將為人們創建復雜器官奠定基礎。
膝內、外翻畸形對膝關節影響的平面有限元計算分析和光彈實驗研究
采用有限元和光彈的實驗方法,研究膝內、外翻畸形對膝關節生物力學影響。方法利用膝關節影像資料在Super-Sap軟件上建立平面有限元模型,在內翻30°～外翻30°之間,按每2°加載受力,計算模型中各節點的應力應變情況。按膝關節彈性模量,制成各種膝關節畸形的環氧樹脂模型,加載后置于偏振光場中觀察應力光圖。結果①正常膝關節內、外側均為壓應力。②膝內翻:內翻12°～18°開始顯著變化,應力集中于脛骨平臺內側。③膝外翻:角度逐漸增加,外翻20°后應力顯著變化,集中于外側脛骨平臺。結論膝內翻12°和膝外翻20°為膝關節應力集中的臨界角度
膝內、外翻畸形對膝關節影響的平面有限元計算分析和光彈實驗研究.pdf
展開 ANSYS workbench 膝關節磨損分析 ￥59
接觸面積 有限元分析步驟.pdf
基于ABAQUS的人工髖關節置換假體接觸力學仿真模型
基于ABAQUS的人工髖關節置換假體接觸力學仿真模型
軟件版本：ABAQUS2019
模型：依據論文尺寸建立
模型運動條件：ISO 14242-1 2014(三個方向的轉動曲線和豎直方向的力受力曲線)
基于ABAQUS的人工腰椎關節置換假體位移控制接觸模型仿真
基于ABAQUS的人工腰椎關節置換假體位移控制接觸模型仿真
軟件版本：ABAQUS2019
模型運動條件：ISO 18192-1-2011
基于ABAQUS自然膝關節步態下接觸力學仿真模型
基于ABAQUS自然膝關節步態下接觸力學仿真模型
軟件版本：ABAQUS2019
模型運動條件：膝關節屈曲運動
《ACS Materials Lett.》哈工程張馨月/馬寧：超韌/穩定/抗溶脹/生物啟發導電水凝膠，用于關節軟骨置換
【總結】
基于生物相容性
PVA和PANa之間的強相互作用，
團隊
提出了一種簡便而經濟的策略來構建新型的關節軟骨替代材料。
合成的PVA-PANa水凝膠具有韌性，易于成型，抗溶脹和導電性的優點，可以充分滿足模擬關節軟骨的實際需求。顯著地，
由于壓縮成型工藝，交聯網絡將比以前通過外力變得更加均勻和致密，從而使水凝膠具有更強的機械強度和更好的抗溶脹性能。
PVA和PANa之間的原始致密氫鍵以及PVA的原位形成的結晶微相共同使水凝膠的斷裂應力超過7 MPa，幾乎達到了報道的基于PVA的水凝膠的最高強度。同時，
PVA-PANa凝膠在
不同的溶液（包括
H
2
O，PBS緩沖溶液和生理鹽水）中可以穩定20天以上
，而沒有明顯的溶脹和損壞。PVA-PANa凝膠的這些出色能力接近天然軟骨的基本特性，
使其成為下一代可植入軟骨替代材料的最佳選擇。
摻雜的PANa除了具有良好的彈性外，還賦予PVA-PANa凝膠以離子導電性，并且可以表現出靈敏的響應和外部應變變化的可再現性，這將是智能仿生傳感元件的有希望的候選者。
參考文獻
：
doi.org/10.1021/acsmaterialslett.1c00203
版權聲明
：「
高分子材料科學
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【往期回顧】
《J. Mater. Chem.
展開 透骨消痛顆粒治療膝骨性關節炎骨內高壓的成分模擬分析
目的預測透骨消痛顆粒對膝骨性關節炎骨內高壓的影響。方法采用主成分分析、描述符計算等計算機方法來研究透骨消痛顆粒中分子和與血液循環系統相關藥物分子／類藥分子的化學空間。結果透骨消痛顆粒中分子有良好的多樣性，具有類藥性質，存在與血液循環系統作用的分子。結論透骨消痛顆粒可通過改善血液循環來達到防治膝骨性關節炎骨內高壓。
透骨消痛顆粒治療膝骨性關節炎骨內高壓的成分模擬分析.pdf
3D打印手術導板和植入物如何助力骨科修復？
增材制造3D打印技術已發展成為一種骨科醫療器械的生產技術，特別是在關節置換手術導板和骨科植入物制造領域，這一技術不僅為實現產品批量定制化生產提供了技術解決方案，還在骨科植入物手術質量提升方面發揮著積極作用。
提高手術精度
植入物在植入人體后質量如何，患者的行動能力恢復的如何除了與產品本身設計、制造水平相關之外，還與手術精確程度相關。3D打印手術導板是針對每臺手術定制化設計的，使用定制化手術導板實施關節置換比單純依靠經驗和手持工具更為精準。
3D打印手術導板，用于四分之一膝關節置換手術，導板的應用簡化了膝關節造型手術的步驟。
手術導板甚至能夠為關節置換手術帶來與機器人輔助系統接近的精確度，但是手術導板的成本卻明顯低于機器人輔助系統。除此之外，手術導板的應用還將減少手術步驟，縮短手術時間，減少手術成本。
3D打印制造的定制化植入物置換手術導板
3D打印技術在手術導板這種個性化手術器械的生產中起到的主要作用是實現定制化(或規模定制化)生產。
展開 內馬爾遭10次犯規 - 有限元助力膝關節保護及傷后恢復
其中膝關節是球員最容易受傷的部位。研究膝關節的生物力學行為，獲得膝關節骨組織和軟骨組織在生理載荷作用下的應力分布對于認識膝關節損傷機理和保護膝關節具有重要意義。通過建立膝關節三維有限元模型并進行計算分析，可以很好的實現對膝關節的研究。
首先，我們需要建立有限元模型，將三維實體模型導入到有限元分析軟件Abaqus中，設置單元類型和材料屬性，劃分網格，最終得到膝關節三維有限元模型。計算模型中包括骨質結構17864個單元、軟骨88691個單元、半月板4485個單元及韌帶34033個單元，得到包括股骨、脛骨、腓骨、髕骨、軟骨、半月板以及關節韌帶的全膝關節有限元模型。
表1：膝關節有限元模型中各組成部分單元類型及材料參數
有限元模型與邊界條件
全膝關節模型中股骨與股骨軟骨、脛骨與脛骨軟骨定義為綁定接觸。股骨軟骨分別于脛骨軟骨和半月板相接觸，并且將半月板前腳和后腳固定于脛骨平臺。根據膝關節解剖結構，將韌帶與相應的韌帶附著點進行綁定約束，韌帶包括前（后）交叉韌帶、髕韌帶、內側副韌帶、外側副韌帶。腳踝處采取固定約束，其他位置均不采取任何約束限制，完全依靠韌帶約束膝關節運動，在股骨頭處施加集中力載荷，載荷方向沿力線方向，人體單腳站立時，股骨頂端收到上半身對其的壓力為體重的62%，考慮單腳站立和雙腳站立兩種載荷工況，單腳站立時，集中力大小為403N，雙腳站立時，集中力大小為202N。
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