【欢乐“颂”知识】骨科医生和ANSYS仿真

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近期《欢乐颂》的热播，凯凯王饰演的上海六院骨科赵医生把混世魔王曲筱绡迷得是七荤八素。迷倒曲筱绡的可不仅仅是赵医生的颜，更有赵医生的专业的医学背景知识。如果骨科医生会仿真，撩妹会不会更甚一筹呢，让ANSYS 工程师教你如何把仿真知识应用于骨科实践中。

采用ANSYS Mechanical开发出新型脊柱设备系统

问题：

手术对于患有严重脊柱侧凸变形的病人而言非常有必要。在椎骨中插入螺钉，并在螺钉内放置固定棒，用于矫正冠状、矢状和横断面上的脊柱侧凸。这类手术的过程相当复杂，并会在螺钉与椎骨接触面上生成很大的力，有时候会导致螺钉在手术中或手术后拔出而给患者带来严重的并发症。因此，制造脊柱设备系统（螺钉、固定棒和手术工具）的公司不断尝试开发新的设备以减小螺钉与椎骨接触面上的力，从而降低患者的风险。

解决方案：

Spinologics使用ANSYS Mechanical APDL语言创建特定患者的脊柱和骨盆有限元模型，其中包含所有解剖学组成部分（椎骨、椎间盘、韧带、关节面等）。模拟新的脊柱固定系统，并仿真手术步骤，以便对新系统与现有通用的脊柱设备就矫正潜力、螺钉–椎骨接触面上的力以及固定棒应力等几个方面进行评估和比较。与通用系统相比，在将脊柱侧凸校正到相同角度时新系统可将螺钉–椎骨接触面上的力减小40%。

商业收益：

ANSYS仿真可提供在实际脊柱手术过程中无法获得的宝贵数据。这些仿真让Spinologics完成了三篇经同行审阅的科技文章，并证明了新型脊柱固定系统的优势。凭借仿真技术能够更好地了解脊柱侧凸手术中的生物力学问题，可在不远的将来降低此类手术的风险。

使用软件：

ANSYS Mechanical

使用ANSYS Workbench开发包含23块人体肌肉和韧带的脊柱-盆骨-股骨复合结构，用以进行结构仿真。

问题：

不稳定的骨盆骨折经常与高死亡率和发病率联系在一起。有两种不同的固定装置可被应用于骨折治疗。但是由于患者的骨质量和几何结构通常存在很大差异，因此很难评估两种装置在人体内的生物力学性能表现。此外，患者的各种不同姿势也会显著影响两种固定装置和人体骨骼的生物力学性能表现。NTUST相信计算机仿真可以公正有效地解决这一问题。

解决方案：

为了分析不同的骨盆固定技术和人体姿势，NTUST使用ANSYS Workbench开发包含23块人体肌肉和韧带的脊柱-盆骨-股骨复合结构，用以进行结构仿真。非线性接触条件和164个张力弹簧分别用来仿真骨骼植入面、人体肌肉和韧带。对完整模型、骨折模型以及植入了三种骨盆固定装置（包括后段髂骶螺钉、骶骨棒和锁定加压钢板）的骨折模型进行仿真和研究。这样便可提供与人体骨骼的最大应力、不同固定装置的最大应力以及不同固定技术的固定稳定性相关的数据。结果显示所有固定技术都能提供所需的固定稳定性。后段髂骶螺钉和骶骨棒在骨盆应力和植入强度方面都有较好的生物力学性能表现。

NTUST相信这是首个考虑了脊柱-盆骨-股骨复合结构以及骨盆固定装置真实几何结构的模型。此外，数值模型还可用于研究不同的人体姿势（例如上楼、下楼和站立姿势等）的影响。

使用软件：

ANSYS Workbench

采用ANSYS Workbench为拥有160块骨骼和软组织以及30块肌肉和韧带的人体上半身建模

难题：

颈椎（颈部）间盘退行性疾病最常见的症状是颈部疼痛和僵硬。虽然有多种可用的外科方法，由于骨骼几何结构和骨质的显著变化，难以在活体内评估其生物力学效果。此外，过去为颈部开发的数值模型为了缩短计算时间过于简化。

解决方案：

研究人员采用ANSYS Workbench为拥有160块骨骼和软组织以及30块肌肉和韧带的人体上半身建模。超弹性物质可仿真椎间盘，使用仅承受张力的弹簧代表肌肉和韧带。研究人员针对四种情况分析该模型的生物力学性能：完好（无疾病）模型、未治疗的退行性模型、通过前椎间盘移除和脊柱融合手术治疗后的退行性模型、使用人工椎间盘置换手术治疗后的退行性模型。通过比较活动范围、椎间盘最大应力、骨骼最大应力和颈椎修复装置的最大应力，显示出与前椎间盘移除和脊柱融合手术相比，人工椎间盘置换手术能减轻脊柱相邻节段的退行性。

使用的软件：

ANSYS Workbench

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来源：Ansys