身强骨壮

作者:Tim Weber, 机械工程师;Simon Gross, 机械工程师;Sebastian Dendorfer,德国雷根斯堡市生物机械学实验室OTH Regensburg生物医学工程师

ANSYS软件可对患者骨骼的应力和张力进行仿真,助力最新髋关节植入方法的研究。

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越来越多的患者因髋部骨关节炎带来的疼痛、僵硬和行动不便而饱受摧残。对于疼痛非常严重以至会限制日常活动或减小活动范围的患者,医生通常会建议他们进行髋关节置换手术。在进行髋关节置换手术的过程中,受损的髋关节会由人造植入物取而代之。外科医生用锯子将股骨头锯下,然后在股骨中置入一个末梢为球形的股骨柄。骨盆部位再放置一个匹配的髋臼杯。大部分接受了髋关节置换的患者在痊愈后肌体功能都会得到提升,并显著减轻疼痛。

尽管髋关节置换是业界验证的安全手术,但有时仍会失败。最近的一项研究表明,几乎25%的髋关节置换之后都需要额外进行手术[1]。球头和髋臼杯的错位是髋关节置换失败的主要原因之一。这可能会影响患者的活动范围,并导致撞击,即植入物间接触、骨间接触或骨体与植入物接触。撞击是术后疼痛、错位和植入物破损的主要原因之一。此外,错位还有可能提高磨损速率以及植入物脱位风险。

Bone impingement after hip replacement

“髋关节置换失败是常见现象。”

OTH Regensburg生物力学实验室的研究人员正在研究将计算机辅助外科手术作为传统髋关节置换手术的替代方法,以减少错位问题。研究人员正在进行一项新的研究,将计算机辅助外科手术与传统方法进行对比。他们通过开展步态研究对这两种方法进行对比,该步态研究是指测量走动过程中的解剖学标记以及施加到地面的反作用力。然后,使用肌肉骨骼建模软件推断肌肉施加到骨骼上的力以及髋关节上的反作用力。最后,采用ANSYS Mechanical有限元分析软件计算术后六个月患者骨盆与股骨中的应力和张力,以确定哪种手术方法更有效。

新的外科手术方法

在传统的手术方法中,球头、骨柄和臼杯的位置由外科医生手动确定,医生必须妥善摆放安置植入物才能实现最佳活动范围,从而将撞击可能性降至最低,并实现稳定的臼杯包覆。OTH Regensburg的研究人员将这种方法与新方法进行比较;新方法通过算法来优化部件位置。

在新方法中,首先将股骨柄插入股骨。通过采用无图像运动捕捉技术和特定患者的骨骼结构,该算法能根据骨柄确定球头位置,然后计算最佳的臼杯位置,以满足活动范围、撞击和包覆要求。在手术过程中将参考钉插入股骨和骨盆,这样,计算机辅助手术软件就能确定它们的位置,并引导外科医生将臼杯放在最佳位置。手术之后,通过计算机断层扫描(CT)来获得股骨和骨盆的3D重建。

CT scans to simulation
由CT扫描得到的某患者的体网格(左)和由肌肉骨骼建模得到的患者肌肉力量(中)作为输入内容开展有限元分析(右)。

研究人员进行首次双盲、随机、可控对照试验,以将手动与计算机辅助手术方法进行比较。该研究旨在确定计算机辅助手术是否能改善活动范围,减少撞击的发生,以及提供其他优势,从而减少髋关节置换失败。参与试验的患者共有60位,其中有32位患者接受传统外科手术,28位接受计算机辅助外科手术。

判断肌肉骨骼负荷

为了更好地理解两种手术方法之间的功能区别,研究人员需要着手判定患者的肌肉骨骼负荷。传统方法是使用仪器植入物测量反作用力。这种方法被视为黄金标准,因为这是测量力的唯一方法;然而,该方法存在几个缺点。它有非常高的侵入性,因而只能使用非常小的样本尺寸,而且只能在几个分立点上测量。

取而代之的是,研究人员使用计算机建模来预测关节反作用力[2]。为参与研究的每位患者身上配备27个反射标记。然后,患者走过10米的步道。摄像机记录标记的位置,同时由测力板记录地面反作用力。测得的地面反作用力与反射标记的轨迹将用作肌肉骨骼模型的输入。

Volume mesh
体网格显示用于为骨骼分配材料属性的灰度编码。
Muscle forces
肌肉力量作为边界条件。

然后,使用逆动力学软件AnyBody Modeling System™仿真整个身体内的肌肉和关节力量。利用高级变形方法将通用人体模型进行缩放以适合每位患者,这样就能将单个患者的动作与个人解剖学特征相结合,从而非常详尽地计算包含数百处肌肉力量的生物力学结果。

有限元分析

在计算反作用力和肌肉力量之后,研究人员需要确定计算机辅助外科手术是否能在骨骼与植入物的交界面上实现分布更加均匀的应力。该信息显然无法通过物理测量来获得,于是,他们借助ANSYS Mechanical软件进行了计算机仿真。

“六个月后,接受计算机辅助外科手术那组患者的行走能力非常出色。”

利用Simpleware软件(Simpleware Ltd.,英国Exeter)将手术六个月后对所有患者做的CT扫描转换为ANSYS Mechanical输入文件。由于骨骼是自然生长的,因此骨骼属性因人而异。为了将这个因素纳入考虑范围,研究人员为每个对象的密质骨和松质骨建立12种不同材料模型。这些材料与CT扫描的特定灰度值关联。这一步骤完成后,团队将3D模型导出到结构软件,包括基于灰度的材料属性。

Computer-assisted hip replacement surgery
计算机辅助髋关节置换手术
Structural simulation hip implant
冯米斯应力结果。蓝色代表较低应力,黄色显示较高应力。

AnyBody软件将肌肉力量以ANSYS Mechanical格式导出,并在FEA仿真中作为边界条件。将该模型固定在股骨下端。ANSYS Mechanical计算出每位患者骨骼中的应力和张力。结果表明,尽管负荷不同,但计算机辅助和手工外科手术中不存在应力与张力分布之间的显著区别。一种可能的解释是:骨骼已经自行对应力和张力进行了平衡。因此,不同负荷情况可能对植入物有优势,但不会影响骨骼。

在接受了计算机辅助手术的患者中,一些其他参数实现了显著提升。手术12个月后的髋关节反作用力几乎与健康、年轻成年人的一样,相比之下,传统手术组的髋关节反作用力要低23%。术后六个月,计算机辅助手术患者组的髋关节反作用力方向处于最佳状态的10%以内。计算机辅助手术组的步态模式不对称性相对于对照组也有所减少,但两组之间没有显著差别。这表明,六个月后,计算机辅助手术组的行走能力更强[3]。此外还有一项正在进行的研究将确定计算机辅助组在磨损方面是否也会更强。

web
 

 

参考资料

[1] Melvin, J.S.; Karthikeyan, T.; Cope, R.; Fehring T.K.. Early Failures in Total Hip Arthroplasty — a Changing Paradigm, 2014. J. Arthroplasty. V29( 6), pp. 1285–8.

[2] Dendorfer S; Weber T: Kennedy O. Musculoskeletal Modeling for Hip Replacement Outcome Analyses and Other Applications. 2014. Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons, V22(4), pp. 268–9.

[3] Weber, T.A.; Dendorfer, S.; Grifka,J.; Gijsbertus J. Verkerke,G.J.; Renkawitz, T. Does Computer-Assisted Femur First THR Improve Musculoskeletal Loading Conditions? 2014. Biomed Research International.

[4] OTH Regensburg, Laboratory for Biomechanics.

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