Abaqus在骨科植入領域的應用

ABAQUS

在骨科植入領域的應用

背景介紹

Background

骨科植入物是骨外科手術治療中廣泛使用的醫療器械，它的品質對治療效果具有重要的作用。在骨科學與工程學長期交叉融合的基礎上，骨科植入物的設計製造已形成完整的知識體系，並伴隨醫學與數字技術的發展與時俱進。

計算機輔助工程（Computer Aided Engineering,CAE）是數字設計技術的重要組成部分。當產品的幾何設計完成後，使用專業軟件對設計進行相關的分析，例如力學分析、場分析、模態分析和結構優化等。

髖關節置換術

       從20世紀50年代末開始，人們開始用人造或假體代替受損和患病的髖關節。全髖關節置換手術包括切除股骨頭部和上部，以及股骨剩餘部分頂部的部分骨髓，在股骨中心的孔內固定有金屬錨固杆，其另一端是關節的球部。另外，更換的杯座必須安裝在骨盆上。

       髖關節置換術是目前最常見的骨科手術，但患者的短期和長期滿意度差異很大。在發達國家，全髖關節置換術的發生率各不相同，大約0.8%的美國人接受過這種手術，由於生活方式的普遍改變(缺乏鍛煉，肥胖)，手術的數量正在上升。

現存問題

       醫療產品的開發和驗證非常依賴物理方法——無論是台架試驗、屍體試驗、動物試驗還是人體試驗。 通常很難或不可能在體外試驗中複製體內條件，因此有必要進行足夠的試驗“對象”，以有效地在目標人群中跨越治療的應用範圍。 這需要巨大的費用和時間——而且一種療法仍然沒有完全得到驗證，因為這種療法的測試案例數量總是不完整的——因此，它總是在患者認為“可以接受”的風險下交付市場。下圖是目前常規的植入物設計和認證流程：

 試想一下，某公司目前有一個新的植入體，總共設計了200個不同的幾何變體。 按照認證規則，每個變體都需要在工作台上進行測試。假設有40個測試台可用，每個植入物的測試時間為12天，大約60天的工作台測試時間才能完成測試。 因此，新的植入物系列的認證需要超過60天，直到最終設計出來。

仿真解決方案

CAE技術

      使用CAE技術則可以讓這個過程大大加快，每個設計都是虛擬測試，而不是工作台測試。 因此，通過仿真，每個變體的測試時間可以從12天減少到少於5分鍾。 在這種仿真驅動設計的方法中，隻有性能最差(但實際上仍然合格)的變體在工作台上對所有這些變體進行代表性的測試。 因此，僅使用一台測試機器就可以在不到兩周的時間內完成整個認證。

Abaqus應用

      Abaqus是一套強大的工程模擬有限元軟件，其解決問題的範圍從相對簡單的線性分析到許多複雜的非線性問題。Abaqus包含一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫，並且擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型的工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、複合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和岩石等地質材料。

      為幫助更多的企業工程師快速實現由傳統設計模式到數字化設計，仿真驅動設計的轉變，我們在後續會推出Abaqus的基礎應用培訓和企業定製化培訓。