借助有限元分析進(jìn)行肌肉骨骼生物力學(xué)研究

項(xiàng)目介紹

    在USC的肌肉骨骼生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，Shawn Farrokhi博士正在研究一項(xiàng)重大課題：為什么很多人因膝關(guān)節(jié)痛而喪失活動(dòng)能力，而有些人卻安好無恙。對(duì)于患有關(guān)節(jié)炎的人來說，這是一個(gè)非常棘手的問題，因?yàn)榈侥壳盀橹�，關(guān)節(jié)炎尚無根治之法。最終的解決辦法是使用假體來替換關(guān)節(jié)。不過，絕大部分患者無力承擔(dān)置換假體的高額費(fèi)用，所以大多數(shù)人選擇服用止痛藥來緩解癥狀，還有人只是忍受疼痛。對(duì)于這類疾病，早期診斷會(huì)有所幫助，這也正是 Farrokhi的研究重點(diǎn)。

    他先將核磁共振圖像進(jìn)行處理，然后使用HyperWorks CAE工具集中的HyperMesh創(chuàng)建有限元模型，借以分析髕股關(guān)節(jié)處軟骨的應(yīng)力情況。這項(xiàng)研究工作為Farrokhi的博士論文提供了部分依據(jù)，其最終目標(biāo)是尋求最佳療法來消除膝蓋關(guān)節(jié)炎帶來的慢性病痛——這是一個(gè)代價(jià)高昂的世界性難題。

挑戰(zhàn)

    Farrokhi的博士論文研究對(duì)象群體涵蓋18-40歲人群，其中大部分為女性。這是因?yàn)樵诙喾N因素的影響下，女性患膝關(guān)節(jié)痛的幾率幾乎是男性的兩倍。“部分原因是身體構(gòu)造差異，另一部分原因是女性臀部肌肉力量往往較弱，還有就是運(yùn)動(dòng)量的差異，”Farrokhi稱。不過，由于男性通常比女性更愛運(yùn)動(dòng)，所以他們也容易出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)痛的癥狀，大運(yùn)動(dòng)量是膝關(guān)節(jié)痛的一大誘發(fā)因素。以軍隊(duì)新兵為例：約有三分之一的新兵會(huì)在基本訓(xùn)練期間出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)痛——這在一些健康專家中是一大熱門主題。

    當(dāng)膝關(guān)節(jié)痛引發(fā)的關(guān)節(jié)炎可通過X射線和核磁共振觀察到時(shí)，就已無法挽回。因此，F(xiàn)arrokhi的研究重點(diǎn)是設(shè)法對(duì)可能患膝關(guān)節(jié)炎的高風(fēng)險(xiǎn)人群進(jìn)行篩查。

    “早期診斷非常關(guān)鍵，”他說道。“如果早期的膝關(guān)節(jié)痛導(dǎo)致日后發(fā)展為關(guān)節(jié)炎，而我們?cè)诨颊吣贻p時(shí)就予以治療，就能減緩發(fā)展為關(guān)節(jié)炎的過程，甚至可以預(yù)防關(guān)節(jié)炎。我們可以采用物理療法，也可以采用藥物療法。如果在全球推廣這種做法，就可以大幅降低治療成本，從而為眾多無力承擔(dān)關(guān)節(jié)置換手術(shù)費(fèi)用的患者減輕壓力。”

膝關(guān)節(jié)有限元模型

解決方案

    USC成像研究中心根據(jù)醫(yī)學(xué)成像標(biāo)準(zhǔn)對(duì)處于特定負(fù)重條件的研究對(duì)象的膝蓋進(jìn)行核磁共振掃描，并將掃描結(jié)果以數(shù)字文件的形式發(fā)送給Farrokhi。每份文件都是患者膝蓋的二維數(shù)字圖像切片。Farrokhi使用Tomovision提供的Sliceomatic軟件工具在其中的120張切片上勾畫出感興趣的結(jié)構(gòu)，然后將這些結(jié)構(gòu)劃分為單個(gè)3D圖像。之后，他將3D圖像保存為.STL文件并將其導(dǎo)入HyperMesh。

    “我們非常關(guān)注核磁共振圖像上的五個(gè)部分，”Farrokhi表示，“股骨、脛骨和髕骨；覆蓋在股骨上的軟骨以及覆蓋在髕骨上的軟骨。模型的總體輸出是這兩個(gè)軟骨表面之間所產(chǎn)生的應(yīng)力。”

    Farrokhi在HyperMesh中針對(duì)模型生成一個(gè)表面，然后將骨幾何創(chuàng)建為剛體薄殼網(wǎng)格。他還創(chuàng)建了多個(gè)四面體元來表示軟骨的厚度。完成建模后，他將模型發(fā)送到有限元求解器，以對(duì)膝蓋向下彎曲15、30和45度時(shí)兩個(gè)軟骨之間的應(yīng)力進(jìn)行仿真。

    Farrokhi的研究工作基于這樣一個(gè)前提：增加應(yīng)力會(huì)造成軟骨的磨損和撕裂。軟骨沒有神經(jīng)末梢，因此這些應(yīng)力不會(huì)引起膝蓋本身疼痛。但這些應(yīng)力轉(zhuǎn)移到底層骨骼時(shí)必定會(huì)引發(fā)疼痛。此外，轉(zhuǎn)移到骨骼的應(yīng)力越大，疼痛的感覺就越劇烈。

    “我們做了一個(gè)假設(shè)，就是患有膝關(guān)節(jié)痛的人的軟骨會(huì)比較薄，”Farrokhi表示，“我們已經(jīng)證實(shí)了這一假設(shè)。在有疼痛感覺的多位患者中，股四頭肌所施加的壓力，以及這些壓力的方向都存在差異。而我們就是要試著量化這些差異。然而，疼痛是沒法量化的，因?yàn)檫@種感受過于主觀。所以，我們盡量不將疼痛與任何數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析。不過，通過分析核磁共振圖像，我得到了軟骨的厚度、體積和含水量。我們想看看這些參數(shù)和軟骨中所產(chǎn)生應(yīng)力的大小是否存在關(guān)聯(lián)。”

    Farrokhi研究工作的一大特色是，他為每個(gè)研究對(duì)象都創(chuàng)建了一個(gè)有限元模型，既包括擁有健康膝關(guān)節(jié)的對(duì)照研究對(duì)象，也包括據(jù)稱患有膝關(guān)節(jié)痛的患者，其中一部分是他的理療患者。他的目標(biāo)是找到疼痛膝關(guān)節(jié)和無疼痛膝關(guān)節(jié)之間的結(jié)構(gòu)差異。

膝關(guān)節(jié)有限元模型輸出

結(jié)論

    Farrokhi在設(shè)法對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，還沒有什么工程背景。但在土木工程學(xué)院的一位同事向他推薦方便易用的HyperMesh之后，他聯(lián)系了Altair公司。“那時(shí)我剛接觸有限元建模，完全是個(gè)新手，”Farrokhi表示，“在USC，還從沒有其他人在人體研究領(lǐng)域應(yīng)用有限元分析。因此我參加了為期三天的HyperMesh培訓(xùn)，學(xué)習(xí)了建模的入門知識(shí)。培訓(xùn)過程中，Altair給了我非常大的幫助，讓我很輕松地就掌握了所需的技能。令我印象最為深刻的是，Altair工程師非常樂意為我提供額外的輔導(dǎo)、詳細(xì)介紹具體過程、提供背景知識(shí)，并用淺顯易懂的方式總結(jié)所有信息。”

    “HyperWorks讓我青睞的另一大特色是：它采用多人協(xié)同化的操作設(shè)置，讓你可以在不同用戶之間自如切換，因?yàn)樗�有用戶都處在同一個(gè)頁面，都有著共同的工作目標(biāo)。我非常欣賞這一點(diǎn)。”

    “既然我已經(jīng)知道如何將有限元模型應(yīng)用到膝關(guān)節(jié)，我就可以將它應(yīng)用到其它身體部位并進(jìn)行應(yīng)力分析了。首要的研究方向就是背痛。而如何分析生物體內(nèi)應(yīng)力是我們要面臨的一大生物力學(xué)難題。這正是我們希望用這種方法來解決的問題。”Shawn Farrokhi博士說道。

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