借助有限元分析進行肌肉骨骼生物力學研究

項目介紹

    在USC的肌肉骨骼生物力學實驗室，Shawn Farrokhi博士正在研究一項重大課題：為什么很多人因膝關節痛而喪失活動能力，而有些人卻安好無恙。對于患有關節炎的人來說，這是一個非常棘手的問題，因為到目前為止，關節炎尚無根治之法。最終的解決辦法是使用假體來替換關節。不過，絕大部分患者無力承擔置換假體的高額費用，所以大多數人選擇服用止痛藥來緩解癥狀，還有人只是忍受疼痛。對于這類疾病，早期診斷會有所幫助，這也正是 Farrokhi的研究重點。

    他先將核磁共振圖像進行處理，然后使用HyperWorks CAE工具集中的HyperMesh創建有限元模型，借以分析髕股關節處軟骨的應力情況。這項研究工作為Farrokhi的博士論文提供了部分依據，其最終目標是尋求最佳療法來消除膝蓋關節炎帶來的慢性病痛——這是一個代價高昂的世界性難題。

挑戰

    Farrokhi的博士論文研究對象群體涵蓋18-40歲人群，其中大部分為女性。這是因為在多種因素的影響下，女性患膝關節痛的幾率幾乎是男性的兩倍。“部分原因是身體構造差異，另一部分原因是女性臀部肌肉力量往往較弱，還有就是運動量的差異，”Farrokhi稱。不過，由于男性通常比女性更愛運動，所以他們也容易出現膝關節痛的癥狀，大運動量是膝關節痛的一大誘發因素。以軍隊新兵為例：約有三分之一的新兵會在基本訓練期間出現膝關節痛——這在一些健康專家中是一大熱門主題。

    當膝關節痛引發的關節炎可通過X射線和核磁共振觀察到時，就已無法挽回。因此，Farrokhi的研究重點是設法對可能患膝關節炎的高風險人群進行篩查。

    “早期診斷非常關鍵，”他說道。“如果早期的膝關節痛導致日后發展為關節炎，而我們在患者年輕時就予以治療，就能減緩發展為關節炎的過程，甚至可以預防關節炎。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關節置換手術費用的患者減輕壓力。”

膝關節有限元模型

解決方案

    USC成像研究中心根據醫學成像標準對處于特定負重條件的研究對象的膝蓋進行核磁共振掃描，并將掃描結果以數字文件的形式發送給Farrokhi。每份文件都是患者膝蓋的二維數字圖像切片。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構，然后將這些結構劃分為單個3D圖像。之后，他將3D圖像保存為.STL文件并將其導入HyperMesh。

    “我們非常關注核磁共振圖像上的五個部分，”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軟骨表面之間所產生的應力。”

    Farrokhi在HyperMesh中針對模型生成一個表面，然后將骨幾何創建為剛體薄殼網格。他還創建了多個四面體元來表示軟骨的厚度。完成建模后，他將模型發送到有限元求解器，以對膝蓋向下彎曲15、30和45度時兩個軟骨之間的應力進行仿真。

    Farrokhi的研究工作基于這樣一個前提：增加應力會造成軟骨的磨損和撕裂。軟骨沒有神經末梢，因此這些應力不會引起膝蓋本身疼痛。但這些應力轉移到底層骨骼時必定會引發疼痛。此外，轉移到骨骼的應力越大，疼痛的感覺就越劇烈。

    “我們做了一個假設，就是患有膝關節痛的人的軟骨會比較薄，”Farrokhi表示，“我們已經證實了這一假設。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，因為這種感受過于主觀。所以，我們盡量不將疼痛與任何數據做相關性分析。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和軟骨中所產生應力的大小是否存在關聯。”

    Farrokhi研究工作的一大特色是，他為每個研究對象都創建了一個有限元模型，既包括擁有健康膝關節的對照研究對象，也包括據稱患有膝關節痛的患者，其中一部分是他的理療患者。他的目標是找到疼痛膝關節和無疼痛膝關節之間的結構差異。

膝關節有限元模型輸出

結論

    Farrokhi在設法對膝關節進行應力分析時，還沒有什么工程背景。但在土木工程學院的一位同事向他推薦方便易用的HyperMesh之后，他聯系了Altair公司。“那時我剛接觸有限元建模，完全是個新手，”Farrokhi表示，“在USC，還從沒有其他人在人體研究領域應用有限元分析。因此我參加了為期三天的HyperMesh培訓，學習了建模的入門知識。培訓過程中，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、詳細介紹具體過程、提供背景知識，并用淺顯易懂的方式總結所有信息。”

    “HyperWorks讓我青睞的另一大特色是：它采用多人協同化的操作設置，讓你可以在不同用戶之間自如切換，因為所有用戶都處在同一個頁面，都有著共同的工作目標。我非常欣賞這一點。”

    “既然我已經知道如何將有限元模型應用到膝關節，我就可以將它應用到其它身體部位并進行應力分析了。首要的研究方向就是背痛。而如何分析生物體內應力是我們要面臨的一大生物力學難題。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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本文標題：借力有限元建模治療膝關節痛

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