聽聽 SIMULIA冠軍、格里菲斯大學的Stefanie Feih教授介紹骨科手術(shù)規(guī)劃現(xiàn)在如何利用患者特定的神經(jīng)肌肉骨骼模型來確定生理上合理的肌肉和關(guān)節(jié)接觸力，包括應(yīng)用點/區(qū)域、大小和方向。隨后采用有限元分析 (FEA) 來估計整個步態(tài)周期中植入物及其宿主組織的應(yīng)力和應(yīng)變。這些模擬仿真或數(shù)字孿生可能有助于驗證植入物設(shè)計和手術(shù)放置，從而改善手術(shù)結(jié)果。

將通過神經(jīng)肌肉骨骼模型獲得的機械負荷納入孤立股骨的有限元分析的管道

介紹

骨科手術(shù)干預的長期成功在很大程度上取決于植入物和宿主組織的機械完整性。植入物在骨骼內(nèi)發(fā)生故障或移位，可能會導致恢復時間延長、需要進行修復手術(shù)，并影響患者的整體生活質(zhì)量。因此，數(shù)值模擬或所謂的數(shù)字孿生對于明智的手術(shù)決策變得越來越重要。

在這篇博文中，我們介紹了一種針對特定患者的股骨模擬工作流程，可用于評估骨科手術(shù)。具體來說，我們的數(shù)字孿生采用模擬工作流程來創(chuàng)建在Dassault Systèmes?SIMULIA?Abaqus中執(zhí)行的有限元分析 (FEA) 所需的輸入數(shù)據(jù)，以確定孤立股骨系統(tǒng)中生理上合理的局部應(yīng)力和應(yīng)變。針對特定患者的工作流程可以改善對植入物和宿主組織力學的預測，這最終將使我們能夠在手術(shù)評估計劃階段通過改進植入物的選擇、設(shè)計和放置來最大限度地降低手術(shù)風險。

數(shù)值模擬在醫(yī)療行業(yè)如何應(yīng)用？

美國食品藥品管理局 (FDA) 等醫(yī)療監(jiān)管機構(gòu)目前正在制定和更新指導文件，以在使用計算建模和仿真 (CM&S) 方法或數(shù)字孿生提交醫(yī)療器械申請時提高一致性、增強信心并改善結(jié)果解釋。雖然許多研究小組都在推廣數(shù)值模擬方法和結(jié)果，但作者認為，與航空航天和汽車等其他工程行業(yè)相比，生物醫(yī)學領(lǐng)域?qū)?CM&S 的監(jiān)管、驗證和確認的協(xié)調(diào)努力較差。骨科生物醫(yī)學行業(yè) CM&S 的最佳方法仍有待仔細驗證，包括但不限于：

1. 開發(fā)和應(yīng)用針對患者特定的神經(jīng)肌肉骨骼模型的最佳實踐，以估計肌肉和關(guān)節(jié)接觸力（應(yīng)用點/區(qū)域、大小和方向）以用作組織負荷條件；

2. 約束邊界條件（位移和旋轉(zhuǎn)）的應(yīng)用和驗證，以確保孤立組織及其復雜組件的真實變形和應(yīng)力；

3. 網(wǎng)格收斂研究，以驗證復雜幾何形狀常用的四面體網(wǎng)格劃分策略；

4. 針對幾何形狀復雜且材料剛度特性存在顯著差異的組件進行接觸驗證研究；

5. 在高度非線性接觸和材料特性的情況下，隱式與顯式解決方案的解決算法驗證。

行業(yè)部門需要嚴格開發(fā)基準案例研究并建立培訓途徑。

模擬如何幫助醫(yī)療設(shè)備設(shè)計？

在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，患者特定數(shù)據(jù)的使用和評估至關(guān)重要。然而，根據(jù)患者具體特征定制醫(yī)療植入物仍處于起步階段，考慮和納入個體患者肌肉骨骼解剖學、生理學和功能的重要性仍不太清楚。

對一系列患者特定特征（包括手術(shù)期間的植入物選擇）進行系統(tǒng)評估有助于確定手術(shù)成功的關(guān)鍵參數(shù)。我們的集成模擬工作流程利用由完整步態(tài)分析、運動捕捉、肌電圖和 X 射線計算機斷層掃描數(shù)據(jù)形成的外部和內(nèi)部生物力學，通過逆運動學和逆動力學估計關(guān)節(jié)接觸和肌肉力量輸入。模擬突出了在不同約束邊界條件方法下股骨 FEA（基于患者特定的股骨幾何形狀和最佳實踐的關(guān)節(jié)和肌肉力量輸入）中孤立骨骼應(yīng)力和變形的差異。

我們強調(diào)了約束邊界條件選擇對孤立組織（股骨）系統(tǒng)的影響。我們認為慣性釋放是解決這種孤立動態(tài)系統(tǒng)問題的最佳方法，這種問題通常被解釋為靜態(tài)負載平衡問題。通過將我們的結(jié)果與慣性釋放方法進行對比，我們?yōu)檎：筒±砉晒窍到y(tǒng)建立了最佳邊界條件方法，以避免對孤立部分進行不切實際的過度約束和約束不足。

我們還表明，現(xiàn)有文獻中常用的許多邊界條件方法雖然沒有提供切合實際的結(jié)果，但仍然被認為是足夠的，并被社區(qū)所接受。我們?yōu)檎：筒±砉晒窍到y(tǒng)建立了最佳邊界條件方法，以避免對孤立部分進行不切實際的過度約束或約束不足。

另外，我們還表明，現(xiàn)有文獻中常用的許多邊界條件方法雖然沒有提供切合實際的結(jié)果，但仍然被認為是足夠的，并被社區(qū)所接受。我們?yōu)檎：筒±砉晒窍到y(tǒng)建立了最佳邊界條件方法，以避免對孤立部分進行不切實際的過度約束或約束不足。最重要的是，我們還表明，現(xiàn)有文獻中常用的許多邊界條件方法雖然沒有提供切合實際的結(jié)果，但仍然被認為是足夠的，并被社區(qū)所接受。

結(jié)論

我們的結(jié)果和比較突出了生物醫(yī)學行業(yè)骨科設(shè)備模擬仿真（即數(shù)字孿生）的機遇，但也指出了需要克服的挑戰(zhàn)。盡管達索系統(tǒng)SIMULIA等商業(yè)軟件提供商在過去幾年中通過改進的接觸算法和更準確的四面體元素應(yīng)力解決方案為生物醫(yī)學行業(yè)提供了重大的解決方案改進，但從已發(fā)表研究中的不同方法可以看出，在建立科學界的最佳實踐共識方面仍有許多工作要做。