借助有限元分析进行肌肉骨骼生物力学研究
项目介绍
在USC的肌肉骨骼生物力学实验室，Shawn Farrokhi博士正在研究一项重大课题：为什么很多人因膝关节痛而丧失活动能力，而有些人却安好无恙。对于患有关节炎的人来说，这是一个非常棘手的问题，因为到目前为止，关节炎尚无根治之法。最终的解决办法是使用假体来替换关节。不过，绝大部分患者无力承担置换假体的高额费用，所以大多数人选择服用止痛药来缓解症状，还有人只是忍受疼痛。对于这类疾病，早期诊断会有所帮助，这也正是 Farrokhi的研究重点。
他先将核磁共振图像进行处理，然后使用HyperWorks CAE工具集中的HyperMesh创建有限元模型，借以分析髌股关节处软骨的应力情况。这项研究工作为Farrokhi的博士论文提供了部分依据，其最终目标是寻求最佳疗法来消除膝盖关节炎带来的慢性病痛——这是一个代价高昂的世界性难题。
挑战
Farrokhi的博士论文研究对象群体涵盖18-40岁人群，其中大部分为女性。这是因为在多种因素的影响下，女性患膝关节痛的几率几乎是男性的两倍。“部分原因是身体构造差异，另一部分原因是女性臀部肌肉力量往往较弱，还有就是运动量的差异，”Farrokhi称。不过，由于男性通常比女性更爱运动，所以他们也容易出现膝关节痛的症状，大运动量是膝关节痛的一大诱发因素。以军队新兵为例：约有三分之一的新兵会在基本训练期间出现膝关节痛——这在一些健康专家中是一大热门主题。
当膝关节痛引发的关节炎可通过X射线和核磁共振观察到时，就已无法挽回。因此，Farrokhi的研究重点是设法对可能患膝关节炎的高风险人群进行筛查。
“早期诊断非常关键，”他说道。“如果早期的膝关节痛导致日后发展为关节炎，而我们在患者年轻时就予以治疗，就能减缓发展为关节炎的过程，甚至可以预防关节炎。我们可以采用物理疗法，也可以采用药物疗法。如果在全球推广这种做法，就可以大幅降低治疗成本，从而为众多无力承担关节置换手术费用的患者减轻压力。”
膝关节有限元模型
解决方案
USC成像研究中心根据医学成像标准对处于特定负重条件的研究对象的膝盖进行核磁共振扫描，并将扫描结果以数字文件的形式发送给Farrokhi。每份文件都是患者膝盖的二维数字图像切片。Farrokhi使用Tomovision提供的Sliceomatic软件工具在其中的120张切片上勾画出感兴趣的结构，然后将这些结构划分为单个3D图像。之后，他将3D图像保存为.STL文件并将其导入HyperMesh。
“我们非常关注核磁共振图像上的五个部分，”Farrokhi表示，“股骨、胫骨和髌骨；覆盖在股骨上的软骨以及覆盖在髌骨上的软骨。模型的总体输出是这两个软骨表面之间所产生的应力。”
Farrokhi在HyperMesh中针对模型生成一个表面，然后将骨几何创建为刚体薄壳网格。他还创建了多个四面体元来表示软骨的厚度。完成建模后，他将模型发送到有限元求解器，以对膝盖向下弯曲15、30和45度时两个软骨之间的应力进行仿真。
Farrokhi的研究工作基于这样一个前提：增加应力会造成软骨的磨损和撕裂。软骨没有神经末梢，因此这些应力不会引起膝盖本身疼痛。但这些应力转移到底层骨骼时必定会引发疼痛。此外，转移到骨骼的应力越大，疼痛的感觉就越剧烈。
“我们做了一个假设，就是患有膝关节痛的人的软骨会比较薄，”Farrokhi表示，“我们已经证实了这一假设。在有疼痛感觉的多位患者中，股四头肌所施加的压力，以及这些压力的方向都存在差异。而我们就是要试着量化这些差异。然而，疼痛是没法量化的，因为这种感受过于主观。所以，我们尽量不将疼痛与任何数据做相关性分析。不过，通过分析核磁共振图像，我得到了软骨的厚度、体积和含水量。我们想看看这些参数和软骨中所产生应力的大小是否存在关联。”
Farrokhi研究工作的一大特色是，他为每个研究对象都创建了一个有限元模型，既包括拥有健康膝关节的对照研究对象，也包括据称患有膝关节痛的患者，其中一部分是他的理疗患者。他的目标是找到疼痛膝关节和无疼痛膝关节之间的结构差异。
膝关节有限元模型输出
结论
Farrokhi在设法对膝关节进行应力分析时，还没有什么工程背景。但在土木工程学院的一位同事向他推荐方便易用的HyperMesh之后，他联系了Altair公司。“那时我刚接触有限元建模，完全是个新手，”Farrokhi表示，“在USC，还从没有其他人在人体研究领域应用有限元分析。因此我参加了为期三天的HyperMesh培训，学习了建模的入门知识。培训过程中，Altair给了我非常大的帮助，让我很轻松地就掌握了所需的技能。令我印象最为深刻的是，Altair工程师非常乐意为我提供额外的辅导、详细介绍具体过程、提供背景知识，并用浅显易懂的方式总结所有信息。”
“HyperWorks让我青睐的另一大特色是：它采用多人协同化的操作设置，让你可以在不同用户之间自如切换，因为所有用户都处在同一个页面，都有着共同的工作目标。我非常欣赏这一点。”
“既然我已经知道如何将有限元模型应用到膝关节，我就可以将它应用到其它身体部位并进行应力分析了。首要的研究方向就是背痛。而如何分析生物体内应力是我们要面临的一大生物力学难题。这正是我们希望用这种方法来解决的问题。”Shawn Farrokhi博士说道。
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本文标题：借力有限元建模治疗膝关节痛
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