髖關節置換的案例
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)
髖關節假體設計,CAE仿真幫大忙~
但閉上眼睛片刻想象一下，假如你是數百萬受關節炎引起的髖關節嚴重衰弱影響的人之一，已經無法正常行走。在這種糟糕的情況下，你現在認為理所當然的簡單事情，如起床、爬樓梯、走向市場、跑步等將會變得復雜而又痛苦，你可能還會依賴拐杖或緩解疼痛的藥物。甚至在更嚴重的情況下，你將逐漸失去行走的能力，這對我們任何人來說都是一個可怕的場景。
髖關節為多軸性關節，能作屈曲、伸直、內收、外展、內旋、外旋等動作，在支撐身體和下肢活動的走、跑、跳躍等方面起著極其重要的作用。當出現髖關節部位病變時，往往伴有髖關節活動范圍的改變，不同程度的活動受限。幸運的是，對于嚴重髖部衰弱的患者，才華橫溢且技術嫻熟的外科醫生設計用假肢代替髖關節。目前，全球每年共有超過60萬個髖關節置換手術，在美國大約進行了18萬次。在大多數情況下，這些手術是成功的，可以讓患者恢復活動能力，獨立性和生活質量。
設計假肢的生物醫學工程師使用許多工具作為他們工藝的一部分，他們使用的工具之一是CAE仿真軟件。CAE仿真軟件用于髖關節假體設計階段的測試，從而減少物理原型的數量以及成本和時間，以便將產品送到制造階段并最終進入手術室，其中假肢可以植入患者體內。
CAE仿真如何幫助設計？
每一個患者的體重都是不同的，他們有不同的身體比例，以及有不同的行走習慣。因此，必須通過CAE仿真來模擬各種各樣的壓力，包括它們的運動方向、運動幅度情況、運動受力情況、每天的運動重復次數以及假肢使用壽命分析（沒有人想重復髖關節置換手術）。此外，由于行走是重復的活動，因此必須考慮摩擦的影響。只有某些材料與組織和骨骼具有生物相容性，并且具有可靠的化學穩定性和安全性，因此任何模擬都必須允許準確的材料假設。
展開 髖關節假體的有限元分析
髖關節外展不同角度股骨頸應力分布的有限元.pdf
利用CADCAE技術進行骨骼的計算機模擬仿真.PDF
模擬股骨頸骨折外固定其固定結構模型三維有限元計算與應力分布實驗研究.pdf
人工髖關節置換后股骨柄應力的有限元分析.pdf
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 
人工髖關節股骨柄有限元仿真計算
孟德松 劉乾
摘要：本文根據《ISO 7206-4/6 人工髖關節疲勞性能》要求，通過 Inspire 易用化有限元分析軟件對人工髖關節股骨柄進行有限元計算，在計算結果解析時，以位移及 VonMises 應力結果作為評判股骨柄剛度及強度性能的依據。本研究體現了 Inspire 軟件在該類仿真中設置便捷性、功能易用性、結果可靠性的特點。
0. 引言
人工髖關節股骨柄是髖關節置換術中核心組件，其性能直接影響假體在體內的功能及使用壽命。為了保證股骨柄在植入患者體內后的安全有效，需要對人工股骨柄柄身進行嚴格的耐久性試驗。為適應不同體型患者的需求，同一系列人工股骨柄通常具有多種不同型號，如若對所有產品進行逐一耐久性試驗，需要占用巨大的設備資源及資金投入。為了滿足人工股骨柄使用安全性驗證要求同時最大化節省試驗成本，將有限元方法最大風險規格的篩查和實際物理測試相結合是目前的最佳手段。
本研究按照《ISO 7206-4/6》人工髖關節植入體的耐久性和疲勞試驗方法，利用有限元分析軟件進行逐一評價，找出同一系列不同型號中力學性能最差產品（worse case），而后將 worse case 用于實際耐久性試驗。
由于人工髖關節股骨柄幾何特征復雜，如若使用傳統有限元軟件仿真，經常出現因網格質量問題導致計算失敗的問題，加之該類產品型號眾多求解設置復雜，從而提高了工作難度。因此使用一款自動化程度高、可靠性強的有限元軟件是極其重要的。
Inspire 是 Altair 開發的一款易用化有限元仿真工具[1]。
展開 國家集采：金屬3D打印骨科應用有望爆發
愛康醫療是人工關節市場份額占有量最大的國產企業，此次3D ACT骨小梁髖臼杯進入集采后，將惠及更多患者；同時，預計3D打印髖臼產品在初次髖關節置換中采用量將大幅提高，極大地促進金屬3D打印髖臼產品在初次髖關節置換中的應用，造福中國病患，刺激醫療3D打印技術的更快發展。
應用3D打印制造的3D ACT骨小梁髖臼杯在骨接觸界面實現了快速的骨長入和骨整合，臨床效果優異[1,2]，此次帶量采購將3D打印髖臼杯納入，能夠真正實現國產產品，普惠價格，世界先進品質，讓更多中國病患使用到這一先進技術的產品。與之競爭的是進口髖關節產品，這也是國產產品與進口產品比拼的一把利器，3D打印髖臼產品進入集采有望實現國產高端髖關節產品搶占進口產品市場份額，邁出高端骨科產品進口替代的第一步。
3D打印技術助力骨科醫療創新
愛康醫療是人工關節市場份額占有量最大的國產企業，公司2020年總收入超10億元，其中3D打印產品收入1.26億，占總收入比重約12%。目前愛康醫療擁有超過15臺電子束金屬3D打印機，已逐漸形成生產規模，能夠有效面對集采后規模化的產品需求，在3D打印骨科市場上一騎絕塵。隨著3D打印骨科產品在臨床應用的優勢的逐漸顯現，其領先身位將繼續擴大。
△愛康生產基地用來生產骨科3D打印產品的電子束金屬3D打印機
在3D打印骨科產品市場上具有顯著的優勢的情況下，愛康醫療敢于將3D ACT骨小梁髖臼杯納入集采，意味著愛康醫療具有更多3D打印骨科創新技術和產品的儲備。
愛康醫療在3D打印技術骨科引領與其一直以來的研發驅動密切相關，2020年的其研發投入達到1.05億元，擁有注冊證超過60個。早在2009年，愛康醫療就引進了電子束增材制造技術，并投入到人工關節研發與制造，在2015年通過臨床試驗取得第一張3D打印髖臼產品的注冊證。而在近五年發展中，不斷研發和推出3D打印新產品。
展開 醫學影像三維重建軟件如何助力定制化3D打印植入物設計？
3D科學谷了解到骨科醫療器械制造商Corin Group就建立了穩健、可重復的工作流程，Corin Group 的優化定位系統（OPS）技術使用Synopsys Simpleware軟件工具幫助外科醫生進行全髖關節置換術（THA）的規劃。
Corin Group 使用Simpleware軟件生成的髖關節3D模型
全髖關節置換術通常依賴于文獻的“安全區”來定義acetabu-lar植入物組件的最佳位置。然而，這種近似不能解釋患者的多樣性，臨床研究顯示高達50％的髖關節手術未達到其目標定向。對于患者來說，這意味著舒適性將受到影響，并存在植入物脫位和需要翻修手術的風險。因此，Corin Group采用針對患者的仿真模擬技術來提高準確性，降低這些風險。
Corin Group 的OPS 系統使用CT 或X射線醫學影像設備捕獲的患者解剖結構數據，數據被導入Synopsys Simpleware軟件，并由工程師處理，將髖關節放置在所需區域。在此階段，將標志物放置在骨架上以進行種植體植入。這些步驟可能非常耗時，但是通過Simpleware軟件的半自動分割工具以及通過生成可重復結果的腳本工具加快了這些步驟。
當生成患者特異性模型之后，Corin Group 的OPS系統將模型用于分析常規生理活動中的不同類型的運動和定向。這一分析旨在確定骨盆旋轉期間髖臼杯的最佳位置。工程師可以將CAD 植入物模型導入患者數據中，并創建3D打印手術導板。
植入物放置位置的虛擬仿真測試，對于減少物理實驗和對于文獻的依賴，以實現最佳結果是具有價值的。在手術期間，3D打印手術導板將與激光引導對準系統相結合使用，以輔助植入物定位。
展開 生物力學mimics-ansys專題培訓
“醫用生物力學建模與仿真分析技術”專題培訓班
時間地點：（時間安排：第一天報到、授課三天）
2019年7月12日——7月15日 北京
課程一 醫用生物力學概述
課程二 有限元法概述及分析
課程三 Mimics三維建模
3-matic軟件的使用
課程四 ANSYS有限元分析
課程五 應用案列解析
1） 髖關節置換
2） 股骨頸骨折
3） 膝關節半月板重建和屈伸運動
4） 脛腓骨遠端骨折、跟骨骨折鋼板固定力學分析
5） 胸腰椎壓縮骨折、爆裂骨折
6） 頸椎前路鋼板、鈦籠的力學分析
7） 胸腰椎后路融合術后力學分析
3D打印應用；
8 結合學員自己臨床的課題分析與設計思路討論
http://icesci.cn/hdp/2019/0613/0205101.html
聯系方式：
報名電話：15210499617 聯 系 人:陳老師
報名郵箱：1521049617@163.com 報名微信:1009948037 （qq同號）
展開 仿真技術在生物醫學領域的應用
圖 | 人工假肢結構仿真分析
關節有限元分析人體關節尤其是大腿骨兩端的髖關節以及膝關節，一直以來也是病癥多發部位，應用CAE技術模擬人體關節力學結構是一種有效的方法。上肢的肘關節、腕關節的研究常常與骨折以及其他骨骼創傷性疾病的應力分析聯系在一起。
而在髖關節方面，有限元分析較為廣泛地應用于全髖關節置換的研究，分析全髖關節置換術前術后髖關節應力的分布情況，而且還可對骨水泥殘余應力的細致分析和假體設計進行研究。對于膝關節分析來說，建立一個完整的三維有限元計算模型，不僅可以了解各部位的應力分布和工作原理，還有助于人工膝關節置換的合理設計。
C：足部仿真分析
當CAE技術應用于足部生物力學研究時，復雜的骨胳幾何結構、邊界條件和材料的不均勻性等問題便找到了可能的解決途徑，人們也嘗試對足部骨骼、軟組織等結構內部的應力傳遞機理進行力學解釋。此類計算分析模型不僅可以分析Lisfranc損傷和Midfoot融合等足部疾病，研究例如Hansen氏病和糖尿病人發生的足骨變形等病理現象的力學成因，還可以就鞋墊的舒適性、高跟鞋的致病性等日常問題進行分析。
圖 | 足部骨骼及韌帶仿真示意圖
D: 人體軟組織仿真分析
除了骨骼以外，人體軟組織的研究也在不斷深入。
展開 81歲老人兩次遭遇“人生最后一次骨折” 3D打印定制鋼板解決難題
患者是一名81歲高齡女性，因摔傷右側髖關節到積水潭醫院老年創傷骨科住院治療。特殊的是，患者7年前曾因跌倒后右側髖部著地，診斷為右側股骨頸骨折，這種骨折也被稱為老年人的“人生最后一次骨折”，骨折后死亡率和致殘率很高，老人當時進行了人工股骨頭置換術，術后很快康復至正常的生活，7年來行走活動自如。不幸的是，患者這次再次跌倒受傷導致右側股骨假體周圍骨折，比上次更加復雜、治療也更加困難，手術風險更高。
通過對過去北京積水潭醫院創傷骨科診治的老年髖部骨折患者的梳理，吳新寶副院長、楊明輝主任醫師團隊發現，隨著老年髖部骨折患者的增多，進行人工髖關節置換數量也逐漸遞增，而此類患者也存在很高的再次跌倒受傷的風險，這意味老年股骨假體周圍骨折也將逐漸增多。對于此類老年股骨假體周圍骨折的治療，一直以來都是困擾骨科醫師的難題，在治療時要兼顧骨折、假體和骨量3個方面，無論采取何種治療方案治療難度都很大。
針對這位二次脆性骨科的老人，治療團隊考慮目前假體周圍骨折鋼板大多與患者股骨近端形態不匹配，不能很好貼附股骨近端表面，容易造成金屬物對周圍軟組織刺激，嚴重者會影響術后肢體功能康復。此外，假體的存在導致鋼板近端螺釘無法置入，鋼板上也沒有線纜環扎專用的通道，從而造成骨折固定不穩定，遠期容易發生內固定物失效，這對一位已經經歷兩次脆性骨折的老人來講將是一個災難性結果。
因此，治療團隊通過對患者病情的綜合分析，決定采用當前骨科治療前沿的3D打印技術。傳統的3D打印定制鋼板只是3D打印股骨模型，再通過機床加工定制鋼板，而通過愛康醫療的醫工交互系統，研發工程師團隊與吳新寶教授團隊緊密配合，根據患者患肢影像資料，專門設計了個性化定制的并通過金屬3D打印技術，打印制造出解剖型股骨假體周圍鋼板。
展開 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。
展開 
3D打印如何助力髖關節手術器械提升性能、降低制造成本？
3D科學谷Review
根據3D科學谷的市場觀察，在國際上，骨科醫療器械制造商在3D打印手術器械制造方面進行了少量嘗試，例如美國 DanaMed Inc公司曾對膝關節前交叉韌帶（ACL）損傷修復手術中用到的韌帶導向器進行了設計優化，并使用金屬3D打印技術直接制造ACL 手術器械的導向器。
由于導向器的頂端在手術時將進入到膝關節內部，并控制導向鉆頭進行手術治療，所以導向器的設計需要遵循人體韌帶在膝關節和肌肉中的天然“路徑”。遵循天然 “路徑” 設計的導向器頂端的槽型和角度非常復雜。其制造材料是鎳基合金材料（Inconel 718 ），屬于難加工材料。
如果使用機加工技術制造這種復雜形狀，需要分為多個部分、更長的制造時間、消耗更多的材料以及制造成本。使用機加工技術時，制造成本將隨著零部件復雜程度的增加而迅速上升，而使用3D打印技術對產品的復雜性不敏感。韌帶導向器的設計復雜性則決定了它更適合使用3D打印技術進行制造，以可接受的成本制造出導向器復雜的形狀。
通常適合用3D打印技術進行制造的手術器械對設計優化有著較高要求，優化后的器械往往非常復雜，用傳統制造技術難以實現。此外，這類手術器械往往需要采用靈活的小批量生產方式進行生產。
展開 基于ABAQUS自然髖關節步態下接觸力學仿真模型
基于ABAQUS自然髖關節步態下接觸力學仿真模型
軟件版本：ABAQUS2019
模型運動條件：髖關節內旋運動
中國人大《Science Advances》封面！讓水凝膠牢固粘在固體表面！
在人工股骨頭表面，覆蓋一層能夠滿足生物相容性、潤滑性和適當靈活性要求的保護層，是部分髖關節置換術成功的關鍵。許多其他醫療用品和海洋物體，也需要生物相容性和潤滑涂層，如醫療導管和船體，特殊的潤滑性可能有利于禁止生物膜，以獲得抗菌或防污表面。
水凝膠，由于其高含水量而具有優異的潤滑性能、生物相容性和靈活性，是軟材料的一個創新分支。不同的配方和可調節的孔隙率，使水凝膠作為具有自愈合、運輸營養、調節細胞增殖和輸送貨物能力的智能表面涂層，成為可能。盡管水凝膠在不同基質上的固定，已經取得了巨大的進展，因此，顯示了在臨床和海洋應用方面的巨大潛力，但仍然需要一種更通用的方法來將水凝膠牢固地、可縮放地涂覆在各種固體基質上，而不用考慮表面拓撲和材料的類別。
目前，多功能水凝膠涂層主要有以下幾個挑戰：
(i)在使用各種水凝膠配方的情況下，該涂覆方法應表現出與多種基材的良好兼容性，并應盡量減少對表面拓撲的依賴；(ii)水凝膠與表面之間的附著力，應能夠抵御物理和化學擾動，特別是包括機械摩擦、水凝膠膨脹和脫水過程中的膨脹和收縮，以及酸或堿介質導致的侵蝕；(iii)為了實際應用，理想情況下，水凝膠涂層是一種節省時間和成本低廉的制造過程，避免了冗長的實驗室工作和使用腐蝕性溶劑或能源成本。縱觀水凝膠涂層的發展歷史，提出一個同時滿足上述所有要求的水凝膠涂層策略，是一項艱巨的挑戰。
在本研究中，研究者創新性地提出了一種復性水凝膠涂層(RHP)的概念，即在固體表面粘貼水凝膠層的兩步技術。具體來說，即，脫水的干凝膠顆粒首先在特殊粘合劑的幫助下，粘在固體表面上。然后，將干凝膠顆粒在水介質中再水化，使其在客觀表面形成均勻的水凝膠涂層。
展開 Abaqus AM髖關節植入物增材制造過程模擬
下面通過髖關節植入物LDED增材制造實例，簡要介紹這一插件的使用。
髖關節植入物LDED增材制造實例：
髖關節植入物
激光直接能量沉積（LDED）是一種常見的增材制造方式，其原理是是將熔化的材料通過逐層堆積的方式制造特定形狀的零件。LDED定制復雜髖關節植入物已經得到了廣泛的臨床應用。
LDED增材制造過程示意圖
AM模型
增材過程中，往往伴隨著復雜的熱力學變化，這些變化又都與溫度有關。因此需要大量數據參數來模擬這一過程。Abaqus增材制造插件已經開發了各種數據結構，可以指導CAE中關鍵字的定義，以便將數據發送到子程序進行模擬。
安裝插件后，可以通過選擇插件-> AM Modeler（顯示/隱藏）來使AM Modeler可見，右鍵單擊開始創建AM模型。選擇“ Abaqus Builtins”選項，則預定義的類型將可用，否則將需要自己定義類型。本例在此處使用預定義的類型。
創建AM模型
AM模型在“ AM建模器”選項卡中可見，其主要包括數據設置、模型設置和仿真設置三大部分。數據設置的內容最為廣泛，其中包含不同數據結構的類型，如參數表，屬性表和事件系列。
“ AM建模器”選項卡
事件系列
事件系列主要以時間和空間相關的方式定義數據，其大多是幅值曲線和路徑的組合，其主要結構是：
time_1，x_1，y_1，z_1，field_value1_1 [，…]
time_2，x_2，y_2，z_2，field_value1_2 [，…]
事件系列類型可以由用戶定義，但是也有預定義的選項。該類型將以“ ABQ_AM”開頭。本例包含兩個事件系列，分別用于定義材料沉積路徑和激光路徑。
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