利用 AnyBody Modeling System 與 Mechanical FIDER 整合的全新工作流程,進行骨關節炎的有限元素分析




簡介

Hip osteoarthritis髖骨關節炎



由於關節軟骨的摩擦,造成股骨和髖杯變形、造成步態異常、肌肉力量減少、以及雙腿不一樣長。

為了評估並且預測這類問題,必須了解

  • 該疾病嚴重度與步態異常之間的關係

  • 在 THA手術(全髖關節置換手術)後步態運動的恢復狀況

  • 全髖關節位置的確定

  • 植體周圍的骨骼重建


需要完成特定位置的應力分析




研究目標

  • 利用 AnyBody Modeling System (AMS) 以及有限元素分析軟體 (Mechanical Finder, MF) 建立一套 FEA 的計算流程

  • 開發一套特定學科的肌肉骨骼模型,用以預測骨關節炎患者的步態運動

  • 在手術後以及檢測重要肌肉以改善異常步態的治療策略後,可以進行評估步態恢復狀況


可應用於骨骼模擬的 FEA 系統

Mechanical Finder (RCCM Co., Ltd., Japan)




Mechanical Finder – 包含下列功能

從 CT 影像 >> 有限元素網格 >> 材料指定 >> 邊界條件指定 >> 靜力分析/非線性破壞分析




楊氏係數可根據骨骼密度 (CT值) 進行計算

材料屬性可指定為複合材料性質,能夠完美反映患者的疾病狀況





Mechanical Finder – 非線性破壞 FEA 驗證




Mechanical Finder 案例




需要加入邊界條件

希望從 AnyBody Modeling System (AMS) 轉出的 FE模型取得肌肉力量


  • 將從 AMS 轉出的肌肉力量,轉換成 MF 的格式 (僅限於一個 time step)

  • 將 AMS 的肌肉點位置轉換到 MF 的FE模型上

  • 由於圖形介面的限制,MF僅能接受前20筆的負載資料

  • 另外將所有的肌肉力量從 AMS 轉出 (轉成 txt 文件格式)



評估不同的FEA 軟體與AMS之間的整合





骨關節炎患者的步態分析與FEA

  • 以25個量測點 (Vicon 512)記錄步態以及進行反作用力計算

  • AMS內定義了 318組肌肉




方法




分析目標




在 FE 模型上的邊界條件顯示




結論 (THA手術前的應力分佈)




THA手術前後的步行姿態比對




結果– 關節反作用力發生變化




結果– 應力分佈與邊界條件






結果 – 應力分佈的變化

從原本不平均的應力分佈 >> 平均的應力分佈





結果 – 左股骨在 THA 手術前後的應力分佈及邊界條件顯示




結果 – 右股骨在 THA 手術前後的應力分佈及邊界條件顯示




結果 – 排名前10組變化最大的肌肉




結果 – 肌肉定量比對




結果 – 以降階的方式顯示邊界條件的差異值大小




討論

  • FEA流程仍然稍嫌複雜,但是這是目前測試出最佳的流程。後續會持續改進從AMS到MF的鏈結,改善FEA流程。

  • 植入骨骨的植入物應該建模,其評估步態變化的方法與應力分布結果同樣可以應用於評估步態恢復。

  • 肌肉力量的明顯變化可以找出改善步態姿勢的重要肌肉,可以協助理解步態異常的機制以及找出更佳的治療策略。



總結

  • 步行過程中,下股骨的邊界條件應用以及相關的建模及應力分析,可以利用AMS與MF建立的步態分析FEA流程取得。

  • 評估不同的步態姿勢與應力分析,可以用於髖關節炎步態異常的臨床治療。




未來展望




致謝