现实仿真探头膝盖生物力学

甚至在虎门队从2008年高尔夫赛季退出到美国开放后的2008年高尔夫赛季之前，一些研究人员陷入生物力学界面关注左膝关节的健康。

伍兹受伤的时间与加州斯克里普斯诊所(Scripps Clinic)希利骨科研究与教育中心(Shiley Center for Orthopaedic Research & Education)的骨科研究实验室发表的一项关于在膝关节置换术时植入微型电脑芯片的患者的研究差不多是在同一时间。芯片向接收器发送无线电遥测数据，记录膝关节在各种活动中受到的压力。“在高尔夫球场上，我们测量到的那些远不及泰格的技术水平的病人击球时，前侧膝盖所受的力是体重的4.5倍，”实验室主任、医学博士达里尔·德利马(Darryl D 'Lima)说。

“人们认为慢跑或爬楼梯更难 - 但是在膝盖上的高尔夫扭曲是更艰难的。鉴于伍兹摇摆的速度和动态，他的伤害对我们来说毫不奇怪。“研究人员现在监测与滑雪一样相同的植入患者。“我们的目标是研究整个动作对膝盖健康的影响，”D'Lima说。

回收的患者的膝盖（左）与无线电遥测接收器配备，记录在替换膝盖上的手术期间植入的计算机芯片数据。患者在滑雪（右侧）时被跟踪，以测量膝关节上的应力;此数据为用于模拟的计算机模型提供输入。

膝盖是自然的减震器
即使你从未玩过任何运动，或者感觉单一的痛苦，你的膝盖也有伤害或关节炎随着时间的推移，因为每个人所做的事情：变老。“母亲自然设计了人膝关节持续了大约30年”，指出了D'Lima。“但人类的寿命比这更扩大，而进化并没有陷入困境。”

老虎伍兹的膝盖受伤(据报道是前交叉韧带，或ACL，用于稳定膝关节内部)对显微手术和物理治疗有积极的反应。但很多人如果膝盖深处的一个关键软骨——半月板——受损，就不会有这么好的结果。它不一定是运动损伤的结果;这可能只是时间的影响。“它就像你最喜欢的鞋子的橡胶鞋底，”D’lima说。“它不会影响你，因为它们慢慢磨损——你只会注意到你的脚突然开始滑落。”

半月板由两个C形软骨组织垫组成，位于由大腿骨骼底部（股骨）和神经骨（胫骨）的顶部形成的关节之间。首先被认为是像附录一样的身体部位 - 对正常健康不重要，甚至可能在患病时造成麻烦。实际上，当一个半月板被撕裂或磨损时，膝盖可以锁定，散步不可能。因为弯鼻肌供水非常差，所以它并没有自己愈合。

50年前，外科医生通过切除整个受损的半月板解决了这个问题，因为他们认为这没有任何作用。患者走出医院大门，但半月板切除5年后，他们又因骨关节炎(OA)回来了。随后，外科医生决定只切除半月板受损的部分。结果呢?患者正常15年，然后就患上了骨关节炎。

“如果我们只有有限的元素分析（FEA），外科医生会知道组织去除是错误的方式，”D'Lima说。“删除它会抓住膝盖的关键生物力学支撑。”D'Lima说，半月板官员原因是一个非常重要的功能，作为间隔和减震器，D'Lima说。“它提供负载共享，接触压力改善和稳定性 - 所有这些都可以与FEA一起学习。”

膝关节（左）的二维MRI图像被转换为​​3D CAD模型（中心），然后将其啮合用于FEA（右）。

FEA模型膝​​盖
D’Lima’s research team, at Scripps’ Shiley Center for Orthopaedic Research and Education (SCORE), is using Abaqus FEA software from SIMULIA, the Dassault Systèmes’ brand for realistic simulation, to make increasingly complex ‘virtual’ computer models of human knee components on which they can test a variety of potential replacement parts and surgical techniques.

用于建立FEA模型的一些数据来自那些在发送无线电遥测时高尔夫和监控的早期植入患者。“我们患者膝盖中的传感器为我们提供了力量测量，因为我们能够用作弯月面的FEA分析的负载输入，”D'Lima说。虽然他的团队首次尝试模型模型功能开始于2000年，但D'Lima说：“我只能在过去几年内尽我所能解决复杂的材料和接触问题，因为我开始使用ABAQUS。”

SCORE小组有很多问题要解决。半月板置换是许多研究项目的圣杯，在斯克里普斯和其他地方，旨在帮助半月板受损的患者完全避免膝关节关节炎，通过植入异体移植(从尸体)，人工生物材料，甚至从患者自己的细胞工程组织。

无论采用何种材料进行半月板置换，SCORE确定了为了实现最佳膝关节功能需要解决的四个问题:D 'Lima说:“你必须使替代材料的大小和形状与病人匹配，你需要复制它复杂的材料特性，你必须弄清楚如何将它固定在合适的位置，而且它必须在病人的一生中经受住磨损和损坏。”“对于这些挑战，我们发现有限元分析结合磁共振成像(MRI)为我们提供了研究替代方案所需的工具。”

磁共振成像和有限元分析的结合极大地促进了近年来医学研究的发展，为人体部位的精确建模提供了有利条件。设计工程师现在可以将二维的MRI“切片”转换成堆叠的3D模型;SCORE使用Materialize公司的Mimics软件进行膝关节工作。最终的CAD (Rhino3D)模拟了详细的骨骼、关节软骨(在大腿和胫骨的末端表面排列)、其他软组织(如ACL)和半月板软骨。SCORE接下来使用Altair的HyperMesh来划分这些组件之间的接触区域，为使用Abaqus进行有限元分析做准备。

材料物质：第一个和最强，建模挑战准确表示弯月面的材料特性。“难以研究生物组织，尤其是半月板难以研究的原因之一是，所有可能的复杂性都存在于同一材料内，”D'Lima说。半月板模型需要不仅仅是弹性，而是非线性弹性。它必须具有可塑性，以描述材料特性如何随时间变化，添加粘弹性组件。半月板也表现得比在压缩中的张力不同，因此表明在哪个方向上施加了施加的方向是很重要的。组织也是各向异性和均匀的。“阿巴斯FEA可以代表这些特征中的每一个，它提供了能够将所有材料属性堆叠到同一型号中的优势，”D'Lima说。

ABAQUS FEA膝关节型号模型展示了尺寸（尺寸和形状）对膝盖最佳应力减少的重要性。顶部图像显示在正常尺寸的半月形上装载。较厚的外边缘在弯月面（左下角）中产生高应力，而较薄的外边缘将应力转移到胫骨软骨（底部中间）。减少半月板和胫骨软骨（右下）产生高应力的宽度。

当测试其型号的材料属性时，本集团发现，只要半月板所关注，就没有替代复杂性。当他们使用简单的线性属性建模了弯月面时，它们得到了太软或太僵硬的半月形。“我们的研究表明，在大约两种兆帕斯卡（MPA）上的重复接触应力导致实际开始杀死半月板细胞的压力，”D'Lima说。一个过于柔软的弯月面向附近的关节软骨上的两个MPa传递到两个MPa，而过硬的一个太僵硬直接吸收所有施加的力的冲击，使其细胞开始死。“没有简单的材料没有甜蜜的地方，”D'Lima说。“它必须复杂。”

尺寸(和形状):SCORE接下来将注意力转向了形状。“你能把任何适合膝盖的c型半月板组织插进去吗?”“想知道D 'Lima。事实证明你做不到。当前技术使用x射线的捐助者和病人试图让尽可能密切匹配出现短:用于临床的标准从尸体选择半月板包括骨骼的长度和宽度,但不是半月板的高度(如厚度的变化),这是至关重要的。

“维度的小变化，甚至百分之十，弄乱了，”D'Lima说。“如果弯月面的外边缘太厚或太薄，当你运行FEA分析时，你会看到过度的压力蠕变。自然在开发期间得到它，因为一切骨头，韧带和软骨 - 生长为适合每个人。”

有限元分析评估替代
评分集团的第三次研究挑战是如何最好地在新的膝关节环境中修复更换半月板的问题。外科医生目前有利于同种异体移植物的两种方法：一个是植入尸体半月板，在其边缘伴随着伴随的骨折，直接进入收件人自己的腿部骨骼的孔中，这是一种需要复杂的手术的过程，具有显着的痛苦和康复。

另一种方法是将尸体弯月面的角缝成受体骨骼中的小孔，这涉及通过关节镜观看网站的外科医生，并使用微小的切口。这里再次FEA提供了有用的分析工具：得分组研究了所有商业上可获得的缝合材料，以获得强度和刚度数据，并将“虚拟缝线”纳入其FEA膝关型模型，以研究接触应力。他们确定每毫米约50牛顿的缝合刚度达到骨头塞的性能。“所以你可以获得较少的侵入性手术的相同机械固定，”D'Lima说。

D 'Lima说:“现在我们已经有了设计管道，我们基本上可以开始为每个需要的人优化膝关节置换。”“我们可以确定哪种形状对特定的人来说是最好的，什么样的材料性能对那个人的膝盖最有效，并就如何通过手术固定植入物提出建议。”

为了生成和探索最适合单个患者的“完美”半月板的算法，D’lima的团队最近开始使用SIMULIA的Isight软件来模拟过程自动化和设计优化。“Isight是一个非常有用的定制工具，”D’lima说。“我们用它来优化材料特性和半月板的形状。有了我们的实验数据，我们可以不断改变有限元模型的特性，直到我们确定了满足所有条件的特定复杂材料模型。”

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