基於 CT 影像進行全髖關節置換術植入物定位與有限元模擬

概述

植入物定位是全髖關節置換術的一項重大挑戰。植入物需要很好地貼合併定位在髓管內，並且理想情況下應最大化股骨與植入物的接觸面積，植入位置的實驗測試受到成本的限制，另一種方法是在產品開發的早期階段使用計算模型來全面分析植體位置，雖然這種方法並非用來取代實驗，但它可以幫助外科醫生更好地了解植體位置對初級或次級穩定性的影響。

Simpleware 軟體與 ANSYS 結合，創建了一個自動化工作流程，將 CAD 設計的植入物整合到股骨的 CT 掃描中，產生用於微運動分析的有限元 (FE) 模型，模擬結果用於產生響應面，展示位置變化對微運動的影響。

亮點

在 Simpleware 軟體中整合 CAD 植入物和股骨 CT 掃描
在 Simpleware 軟體中產生有限元網格
透過腳本自動化生成多個植入物位置/方向
在 ANSYS Workbench 中模擬植入物微運動
對結果進行後處理以產生響應面
預測植入物位置的最佳和最差情況

影像處理和 CAD 集成

使用 Simpleware ScanIP 和 Simpleware CAD 將從 CT 掃描中取得的分割股骨模型與 CAD 設計的植入物結合。然後使用 Simpleware FE 產生 FE 有限元網格，並將其匯出到 ANSYS Workbench 進行微運動模擬。 Simpleware API 採用 Python 腳本，自動產生多個植體位置的流程，無需耗費長時間手動調整。

圖：使用 Simpleware CAD 將分割後的股骨與 CAD 設計的植入物結合

有限元網格生成

本文案例為每個植入位置生成有限元網格，其中股骨大約有 10,000 個節點和 38,000 個單元，植入物大約有 2,000 個節點和 6,000 個單元（建模為鈦）。使用 Simpleware 軟體的自動映射演算法將基於原始掃描的 Hounsfield 單位的標準材質屬性分配給股骨，增加節點集是為了模擬植入物和股骨的約束和負載條件，在植入物-骨骼界面處也對網格進行了細化，以實現真實的模擬。