听听 SIMULIA冠军、格里菲斯大学的Stefanie Feih教授介绍骨科手术规划现在如何利用患者特定的神经肌肉骨骼模型来确定生理上合理的肌肉和关节接触力，包括应用点/区域、大小和方向。随后采用有限元分析 (FEA) 来估计整个步态周期中植入物及其宿主组织的应力和应变。这些模拟仿真或数字孪生可能有助于验证植入物设计和手术放置，从而改善手术结果。
将通过神经肌肉骨骼模型获得的机械负荷纳入孤立股骨的有限元分析的管道
介绍
骨科手术干预的长期成功在很大程度上取决于植入物和宿主组织的机械完整性。植入物在骨骼内发生故障或移位，可能会导致恢复时间延长、需要进行修复手术，并影响患者的整体生活质量。因此，数值模拟或所谓的数字孪生对于明智的手术决策变得越来越重要。
在这篇博文中，我们介绍了一种针对特定患者的股骨模拟工作流程，可用于评估骨科手术。具体来说，我们的数字孪生采用模拟工作流程来创建在Dassault Systèmes SIMULIA Abaqus中执行的有限元分析 (FEA) 所需的输入数据，以确定孤立股骨系统中生理上合理的局部应力和应变。针对特定患者的工作流程可以改善对植入物和宿主组织力学的预测，这最终将使我们能够在手术评估计划阶段通过改进植入物的选择、设计和放置来最大限度地降低手术风险。
数值模拟在医疗行业如何应用？
美国食品药品管理局 (FDA) 等医疗监管机构目前正在制定和更新指导文件，以在使用计算建模和仿真 (CM&S) 方法或数字孪生提交医疗器械申请时提高一致性、增强信心并改善结果解释。虽然许多研究小组都在推广数值模拟方法和结果，但作者认为，与航空航天和汽车等其他工程行业相比，生物医学领域对 CM&S 的监管、验证和确认的协调努力较差。骨科生物医学行业 CM&S 的最佳方法仍有待仔细验证，包括但不限于：
1. 开发和应用针对患者特定的神经肌肉骨骼模型的最佳实践，以估计肌肉和关节接触力（应用点/区域、大小和方向）以用作组织负荷条件；
2. 约束边界条件（位移和旋转）的应用和验证，以确保孤立组织及其复杂组件的真实变形和应力；
3. 网格收敛研究，以验证复杂几何形状常用的四面体网格划分策略；
4. 针对几何形状复杂且材料刚度特性存在显著差异的组件进行接触验证研究；
5. 在高度非线性接触和材料特性的情况下，隐式与显式解决方案的解决算法验证。
行业部门需要严格开发基准案例研究并建立培训途径。
模拟如何帮助医疗设备设计？
在医疗技术领域，患者特定数据的使用和评估至关重要。然而，根据患者具体特征定制医疗植入物仍处于起步阶段，考虑和纳入个体患者肌肉骨骼解剖学、生理学和功能的重要性仍不太清楚。
对一系列患者特定特征（包括手术期间的植入物选择）进行系统评估有助于确定手术成功的关键参数。我们的集成模拟工作流程利用由完整步态分析、运动捕捉、肌电图和 X 射线计算机断层扫描数据形成的外部和内部生物力学，通过逆运动学和逆动力学估计关节接触和肌肉力量输入。模拟突出了在不同约束边界条件方法下股骨 FEA（基于患者特定的股骨几何形状和最佳实践的关节和肌肉力量输入）中孤立骨骼应力和变形的差异。
我们强调了约束边界条件选择对孤立组织（股骨）系统的影响。我们认为惯性释放是解决这种孤立动态系统问题的最佳方法，这种问题通常被解释为静态负载平衡问题。通过将我们的结果与惯性释放方法进行对比，我们为正常和病理股骨系统建立了最佳边界条件方法，以避免对孤立部分进行不切实际的过度约束和约束不足。
我们还表明，现有文献中常用的许多边界条件方法虽然没有提供切合实际的结果，但仍然被认为是足够的，并被社区所接受。我们为正常和病理股骨系统建立了最佳边界条件方法，以避免对孤立部分进行不切实际的过度约束或约束不足。
另外，我们还表明，现有文献中常用的许多边界条件方法虽然没有提供切合实际的结果，但仍然被认为是足够的，并被社区所接受。我们为正常和病理股骨系统建立了最佳边界条件方法，以避免对孤立部分进行不切实际的过度约束或约束不足。最重要的是，我们还表明，现有文献中常用的许多边界条件方法虽然没有提供切合实际的结果，但仍然被认为是足够的，并被社区所接受。
结论
我们的结果和比较突出了生物医学行业骨科设备模拟仿真（即数字孪生）的机遇，但也指出了需要克服的挑战。尽管达索系统SIMULIA等商业软件提供商在过去几年中通过改进的接触算法和更准确的四面体元素应力解决方案为生物医学行业提供了重大的解决方案改进，但从已发表研究中的不同方法可以看出，在建立科学界的最佳实践共识方面仍有许多工作要做。
