MSC Nastran助力Infosy公司精确评估骨折风险

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项目背景

随着年龄的增长，骨量会逐渐减少，骨骼失去了钙和其他矿物质，变得更轻，密度更小，气孔也更多。伴随着这一过程的持续，我们的骨骼变得越来越脆弱，也进一步增加了骨折的风险。当骨密度(BMD)，即单位体积骨骼中矿物质的浓度低于临界值时，就被称为骨质疏松症。

目前，医生通过测量骨密度，结合各种方法，如CT扫描或X光的身体检查和其他生理参数，如性别、年龄、体重等来评估骨折风险。这些诊断方法主要是定性的，没有考虑到椎骨的各种力学因素，如形状、皮质骨厚度、皮质骨的密度分布(椎骨的外部区域)、松质骨的密度分布(椎骨的内部区域)、骨组织的材料特性等。

项目挑战

骨质疏松症的治疗是复杂、费力、昂贵的，患者也将面临副作用的风险。目前诊断骨折风险的方法不够精确，这意味着可能有许多患者在骨折风险很低的情况下依然接受了此类治疗。所以医疗专业人员需要更准确的方法来确定骨折风险，该方法应考虑患者的个体特征，以评估各种可能治疗的潜在回报和风险。

Infosys团队由高级工程小组首席顾问Datatraya Parle和工程分析师Anirudha Ambulgekar组成，他们与印度孟买的放射科医生Ketan Gaikwad博士合作，目标是利用计算技术模拟椎骨结构中实际发生的生物力学变化，以量化骨折的风险，这个项目的目标也是利用机械工程的一些最佳实践来解决生物医学工程中的问题。

解决方案

Infosys团队利用计算机辅助设计（CAD）和有限元分析（FEA）工具开发了一种解决方案，以研究椎骨的力学特性，同时考虑了各种因素，如皮质骨/松质骨的形状、密度分布以及骨组织和孔隙度的其他材料特性。Infosys开发的创新解决方案应用了机械工程的成熟原理，以了解人体椎骨的生物力学，并减少骨折风险评估的误差范围。该解决方案有助于从业者对骨骼进行详细、无创的研究，定量分析椎骨骨折风险。

收益：

• 使用MSC Nastran研究椎骨的力学特性，同时考虑各种因素，如皮质/松质骨的形状、密度分布以及骨组织和孔隙度的其他材料特性；

• 该解决方案帮助从业者以详细和无创的方式研究骨骼，定量分析椎骨的骨折风险；

• 通过模拟计算的应力，在确定骨折风险方面比传统的BMD测量可提供更准确的评估。

Infosys团队使用了一个老年骨质疏松患者椎骨的50张计算机断层扫描（CT）图像，这些CT扫描图像用于生成患者特定的3D CAD模型，该模型包含患者椎骨孔隙的确切形状和大小。在使用CAD模型进一步用FEA进行断裂风险分析之前，将CAD模型校准到实际尺寸大小。

图：在导出模型到Patran之前，CAD模型被校准到实际尺寸

Infosys选择MSC Nastran解决此问题，因为它是广泛使用的FEA求解器之一，并已获得FAA和其他监管机构的认证。在本项目中，有限元分析工具的精度非常重要，因为一旦该方法得到更充分的开发，关键的医疗决策就可以基于FEA结果。结果必须快速生成，以便做出诊断决定，没有时间来评估FEA软件的准确性。基于经验和声誉，Infosys工程师对MSC Nastran的结果充满信心。

Infosys的工程师通过考虑骨质疏松患者椎骨的实际形状和尺寸的3D模型，使用Patran中的CTETRA单元创建了FEA模型，保持网格质量参数以提高分析精度。从文献关于皮质骨和松质骨的物理测试结果中获得了两种类型的材料特性，该研究在腰椎直立坐姿时使用了1000N 的压力，这是文献中发现的典型值。尽管这有点保守，然而，负荷很大程度上取决于身体的姿势。椎骨的底部是固定的。考虑到孔隙的形状、大小和材料特性，所以使用椎骨中产生的压应力来计算患者特定的骨折风险系素。

图：Patran中椎骨的网格模型

图：椎骨出现的压应力模式

结果

Infosys开发的骨质疏松症创新解决方案使用了计算机辅助设计和FEA分析来定量评估椎骨骨折风险。通过模拟计算的应力在确定骨折风险方面提供了比传统BMD测量更准确的评估，它应用了机械工程中的最佳实践来理解椎骨的生物力学特性。

Ketan Gaikwad博士表示：“通过Infosys的这一新解决方案，医生可以准确地确定个体病例中骨质疏松症疼痛的病理生理学，这将帮助我们选择对患者更合适的、特定的治疗方法。”

图：用于创建CAD模型的50张CT扫描图像中的24张

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首次发布时间：2023-04-26