定制式增材制造膝關節矯形器間室減荷效果的有限元分析
時間：2024-01-24 10:33 來源：上海交通大學學報 作者：admin 閱讀：次
構建有限元模型，模擬膝骨關節炎（KOA）患者佩戴定制式增材制造膝關節矯形器前后的膝關節生物力學變化，針對矯形器間室減荷效果開展定量化研究。
對膝骨關節炎患者進行光學體表及CT掃描，根據單側減荷原理設計定制式增材制造膝關節矯形器，通過網格劃分、材料賦值、邊界設置等步驟，利用ANSYS等軟件構建包括膝關節與定制式增材制造膝關節矯形器有限元模型，沿下肢負重軸方向對膝關節施加1100N的壓縮載荷，進行仿真及應力分析，研究定制式增材制造膝關節矯形器對膝關節間室的減荷效果，驗證軟骨、韌帶及下肢皮膚對膝關節承載能力的影響。
相較于未佩戴任何矯形器情況，佩戴定制式膝關節矯形器后，膝關節內翻角度減少、內側壓力向外側轉移且內側間室壓力明顯降低。定制式增材制造膝關節矯形器可降低早中期內側間室型膝骨關節炎患者在步行過程中膝關節內側間室所產生的壓力，減荷效果顯著。
1. 建立膝關節-矯形器整體有限元模型，將韌帶定義為僅承受拉伸應力的各向同性線彈性材料，以彈簧單元代替基于韌帶起止點的應力牽拉，以彈簧單元代替矯形器的綁帶。
2. 佩戴定制式膝關節矯形器后，膝關節內翻角度減少、內側壓力向外側轉移且內側間室壓力明顯降低。未佩戴矯形器和佩戴矯形器兩種情況下股骨軟骨、內、外側月板和內、外側脛骨軟骨最大Von Mises應力分別為0.62與0.14、0.98與0.55、0.0076與0.0541、0.44與0.14、0.0003與0.0123MPa。
位移方面，佩戴矯形器前后情況下膝關節股骨相對于脛骨前向上的位移分別為13.96和0.59mm，股骨前移狀態有明顯改善，關節間的穩定性增強。佩戴矯形器前后情況下膝關節內翻傾角分別為7.84°和6.65°。
作者簡介
第一作者許苑晶，工科碩士，轉化醫學國家重大科技基礎設施（上海）創新醫療器械注冊研究與臨床轉化服務中心注冊研發工程師，長期致力于研究數字醫學3D打印，從事醫工交叉的康復器械注冊研究工作，獲2019年度第九屆上海康復醫學科技獎一等獎、第六屆國際康復工程大會創新一等獎，2018年中國增材制造行業新銳人物獎等。
通訊作者王金武，醫學博士，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科主任醫師，上海交通大學醫學院教授，上海交通大學生物醫學工程學院兼職研究員，博導及博士后導師。十三五、十四五科技部國家重點研發計劃首席科學家，上海交通大學轉化醫學研究院首席科學家，第五屆“卓越建樹”人民名醫。以第一完成人獲得2022年度上海市技術發明一等獎，項目名稱“四肢骨關節炎的數字化診療關鍵技術與裝備開發”。榮獲上海醫學科技一等獎、上海康復醫學科技一等獎和中華醫學科技進步一等獎、江蘇醫學科技獎、吉林省科學技術一等獎等。
引文信息
許苑晶, 高海峰, 吳云成, 柳毅浩, 張子硯, 黃承蘭, 王贊博, 劉同有, 王彩萍, 繆偉強, 王金武. 定制式增材制造膝關節矯形器間室減荷效果的有限元分析[J]. 上海交通大學學報, 2023, 57(5): 560-569.
XU Yuanjing, GAO Haifeng, WU Yuncheng, LIU Yihao, ZHANG Ziyan, HUANG Chenglan, WANG Zanbo, LIU Tongyou, WANG Caiping, MIAO Weiqiang, WANG Jinwu. Finite Element Analysis of Decompression Effect of Custom Additively Manufactured Knee Orthosis Compartments[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2023, 57(5): 560-569.
圖1 定制式增材制造膝關節矯形器
對膝骨關節炎患者進行光學體表及CT掃描，根據單側減荷原理設計定制式增材制造膝關節矯形器，通過網格劃分、材料賦值、邊界設置等步驟，利用ANSYS等軟件構建包括膝關節與定制式增材制造膝關節矯形器有限元模型，沿下肢負重軸方向對膝關節施加1100N的壓縮載荷，進行仿真及應力分析，研究定制式增材制造膝關節矯形器對膝關節間室的減荷效果，驗證軟骨、韌帶及下肢皮膚對膝關節承載能力的影響。
相較于未佩戴任何矯形器情況，佩戴定制式膝關節矯形器后，膝關節內翻角度減少、內側壓力向外側轉移且內側間室壓力明顯降低。定制式增材制造膝關節矯形器可降低早中期內側間室型膝骨關節炎患者在步行過程中膝關節內側間室所產生的壓力，減荷效果顯著。
1. 建立膝關節-矯形器整體有限元模型，將韌帶定義為僅承受拉伸應力的各向同性線彈性材料，以彈簧單元代替基于韌帶起止點的應力牽拉，以彈簧單元代替矯形器的綁帶。
圖2 膝關節-矯形器整體有限元模型
2. 佩戴定制式膝關節矯形器后，膝關節內翻角度減少、內側壓力向外側轉移且內側間室壓力明顯降低。未佩戴矯形器和佩戴矯形器兩種情況下股骨軟骨、內、外側月板和內、外側脛骨軟骨最大Von Mises應力分別為0.62與0.14、0.98與0.55、0.0076與0.0541、0.44與0.14、0.0003與0.0123MPa。
位移方面，佩戴矯形器前后情況下膝關節股骨相對于脛骨前向上的位移分別為13.96和0.59mm，股骨前移狀態有明顯改善，關節間的穩定性增強。佩戴矯形器前后情況下膝關節內翻傾角分別為7.84°和6.65°。
圖3 未佩戴矯形器時股骨軟骨、內外側半月板、內外側脛骨軟骨的Von Mises應力云圖
圖4 佩戴矯形器時股骨軟骨、內外側半月板、內外側脛骨軟骨的Von Mises應力云圖
作者簡介
引文信息
許苑晶, 高海峰, 吳云成, 柳毅浩, 張子硯, 黃承蘭, 王贊博, 劉同有, 王彩萍, 繆偉強, 王金武. 定制式增材制造膝關節矯形器間室減荷效果的有限元分析[J]. 上海交通大學學報, 2023, 57(5): 560-569.
XU Yuanjing, GAO Haifeng, WU Yuncheng, LIU Yihao, ZHANG Ziyan, HUANG Chenglan, WANG Zanbo, LIU Tongyou, WANG Caiping, MIAO Weiqiang, WANG Jinwu. Finite Element Analysis of Decompression Effect of Custom Additively Manufactured Knee Orthosis Compartments[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2023, 57(5): 560-569.
(責任編輯：admin)
Himed評估不同噴砂磨料在3
粉末粒徑可以控制增材制造
Divergent公司以3D打印技
浙大口腔醫學院：生物3D打
新型類器官樣神經血管球促
推動粘結劑噴射（鑄造/金最新內容
選區激光熔化增材
大型聚合物3D打印
6K Additive最新
如何打造增材制造
從實驗室走向生產
3D打印在口腔修復熱點內容
