基於 CT 影像與豐田 THUMS 模型開發漏斗胸的 FE 有限元模型
概述
利用影像資料對人體進行虛擬測試對於緩解物理實驗的倫理和實際問題非常重要，在這項研究中，日本 JSOL 公司和長野兒童醫院將豐田的整體人體安全模型(THUMS) 應用於汽車安全應用，以應對漏斗胸建模的醫學挑戰，漏斗胸是一種胸部畸形，也稱為漏斗胸。
此專案使用 Synopsys Simpleware 軟體，從適合變形為 THUMS 詳細有限元模型的 CT 數據創建真實的患者胸部結構，並為模擬術後肋軟骨的生長提供基礎。
亮點
- 豐田高度詳細的 THUMS FE 人體建模軟體適用於醫學影像資料和病理研究
- 使用 Simpleware 軟體並根據 CT 影像數據產生 3D 模型
- 使用基於影像的 3D 模型和 THUMS 的變形進行詳細的模擬
- 使用 THUMS 創建的模型可實現未來的臨床模擬
THUMS 模型的發展
THUMS 於 2000 年首次發布，是豐田汽車公司和豐田中央研發實驗室有限公司之間合作研究計畫的成果，產生了世界上第一個用於再現和分析車輛碰撞期間全身傷害的虛擬人體模型。 由此產生的 THUMS 虛擬人體軟體程式適用於不同的身體類型和環境，包括骨骼、大腦、內臟和肌肉。
在 THUMS 中開發乘員模型。
此外，THUMS 可以準確地再現人體的形狀和強度，同時也為不同碰撞模式的重複分析提供了機會。 因此在汽車產業，THUMS 能夠在進行碰撞實驗時大幅縮短開發時間並降低道德風險。 豐田於 2021 年 1 月免費提供 THUMS 軟體，目標是擴大其在汽車安全研究中的用途。 然而 JSOL 和長野兒童醫院現在已經展示了如何將該模型應用於醫學研究。
在漏斗胸研究的應用
漏斗胸是前胸椎的結構畸形，其中胸骨和肋骨形狀異常。 在這種情況下，胸部可能會出現凹陷或凹陷，並在出生時或青春期後出現。 外科手術最常使用努斯法 (Nuss)，是一種微創手術，將一根彎曲的金屬棒插入凹陷的胸骨下方。 然後，一根或多根桿將胸骨提升到更傳統的位置，並在幾年後被移除。
在這項研究中，日本 JSOL 公司和長野兒童醫院根據患者 CT 影像對 10 歲兒童 THUMS 模型的胸部進行變形，創建了漏斗胸模型，再現了患者骨骼形狀和病理狀況。 然後，他們透過模仿手術後肋軟骨的生長來模擬術後發育，利用熱膨脹現象來幫助重現這種生理變化。
研究根據實際患者骨骼形狀觀察變形的胸部形狀。
漏斗胸模型建立工作流程
透過 CT 掃描獲得患者術後的胸部形狀和特徵，以便根據這些提取的特徵改變 THUMS 模型的骨骼形狀，還添加了條件以利用熱膨脹模擬骨骼生長。 本研究針對兩種胸部形狀，特別是 Nuss 手術 (漏斗胸微創手術) 後形成的過度矯正型和扁平型。
Simpleware 軟體能夠從 CT 影像中提取胸部形狀，並應用影像處理工具來準確模擬不同的解剖結構。 透過對 10 歲兒童的 THUMS 模型進行變形，以匹配影像資料中的過度矯正和平坦特徵（例如肋軟骨的角度），對「正常」胸部和患者數據進行比較。
使用 Simpleware 軟體從 CT 影像中提取不同的胸部形狀。
胸腔肋骨的熱膨脹模擬
對於熱膨脹，假設各模型的肋椎關節和肋軟骨為生長部位，並為其指定熱膨脹條件進行模擬。 此外，研究人員將擴張限制在肋骨的縱向，以防止擴張導致骨骼增厚，為了控制骨骼生長，在肋骨和肋軟骨的表面上創建了用於長度測量的梁元件，並採用設定來將熱膨脹的溫度升高阻止在預定長度。
使用 LS-DYNA 模擬胸部膨脹
根據 10 名 10 至 15 歲無任何胸部畸形患者的 CT 影像，測量肋軟骨和肋骨生長的變化，並將所得生長率作為胸部生長因子納入模型中。 研究中使用 LS-DYNA 模擬了不同病例的胸部生長結果。
模擬結果
模擬結果顯示了胸部生長的差異，包括與正常胸部生長相比，平坦胸壁手術模型如何顯示季肋部區域的異常突出作為生長的一部分，在模擬過程中也發現了實際生長中未發生的肋間開口，但並未被視為研究的重點是肋軟骨和肋椎關節附近的生長。在實踐中有許多不同的因素可能會影響胸廓的形狀，例如肋軟骨的骨化和肋間肌的行為，這些都需要進一步研究。
獲得骨骼生長的結果。
結論
透過使用 Simpleware 軟體中從患者 CT 資料中提取的形狀特徵，該專案能夠透過變形在已建立的 THUMS 模型上重現它們。
該模型集現在為進一步驗證生長模式如何與臨床實踐一致提供了基礎，目標是利用新的模擬來幫助預測漏斗胸治療的長期結果。 更一般地說，Toyota THUMS 模型提供了寶貴的資源，可用於調整現有的汽車資源來解決術前計畫中的挑戰。
參考資料
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