有限元法在骨生物力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

生物力學(xué)（Biomechanics）是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對(duì)生物體中的力學(xué)問(wèn)題定量研究的生物物理學(xué)分支，其研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官。骨生物力學(xué)作為生物力學(xué)的分支，目前基本上借用工程力學(xué)的理論，對(duì)人體主要骨骼，如顱骨、盆骨、股骨、脊椎骨等進(jìn)行靜力學(xué)或動(dòng)力學(xué)的分析，這些結(jié)果與臨床表現(xiàn)很接近，對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程頗具指導(dǎo)意義。

 骨生物力學(xué)研究方法

骨生物力學(xué)的研究方法有很多種，包括尸體實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、物理實(shí)驗(yàn)、有限元實(shí)驗(yàn)等。然而人體死亡后，生物力學(xué)發(fā)生改變，尸體實(shí)驗(yàn)受到了很大限制；動(dòng)物模型不能完全替代人體實(shí)際情況；物理模型過(guò)于復(fù)雜，結(jié)果也不夠直觀。

有限元法是一種將復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題離散化的近似解法，在分析不規(guī)則物體的力學(xué)特點(diǎn)方面具有優(yōu)越性。用有限元實(shí)驗(yàn)解決骨生物力學(xué)的問(wèn)題，不僅可重復(fù)性高，相對(duì)省時(shí)省力，而且可以得到各部分的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，效果直觀。

骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析方法：尸體實(shí)驗(yàn)、物理實(shí)驗(yàn)、有限元實(shí)驗(yàn)（從左至右）

 有限元法在矯形器上的應(yīng)用

矯形器設(shè)計(jì)得當(dāng)能夠增加畸形矯正效果、運(yùn)動(dòng)功能性和生物力學(xué)穩(wěn)定性，有助于提高患者的康復(fù)水平，同時(shí)能夠減少康復(fù)期間的并發(fā)癥。矯形器作為一種重新分配、調(diào)整作用于肌肉骨骼系統(tǒng)壓力的機(jī)械裝置，可以通過(guò)控制癥狀來(lái)改善關(guān)節(jié)功能和增加患者的活動(dòng)范圍。有限元法應(yīng)用于定制式增材制造矯形器，能夠評(píng)估定制式矯形器與患者肌肉骨骼相互作用的生物力學(xué)特性，以確保其治療效果、力學(xué)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)效益為前提，充分發(fā)揮3D打印難度不受物體復(fù)雜程度影響的優(yōu)勢(shì)。

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院王金武教授團(tuán)隊(duì)使用有限元法評(píng)估3D打印頸椎枕的治療效果

 王金武教授團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究進(jìn)展

近日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院承擔(dān)的科技部重點(diǎn)專項(xiàng)《面向智能設(shè)計(jì)/仿真協(xié)同平臺(tái)的3D打印醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)研究與臨床應(yīng)用》順利結(jié)題，項(xiàng)目構(gòu)建了智能設(shè)計(jì)/仿真云平臺(tái)系統(tǒng)框架，開發(fā)了醫(yī)工結(jié)合的交互平臺(tái)與智能設(shè)計(jì)協(xié)同云平臺(tái)，搭建了模板庫(kù)大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

智能設(shè)計(jì)協(xié)同云平臺(tái)

增材制造醫(yī)療器械專業(yè)委員會(huì)分別于2019、2020年前后發(fā)布《T∕CAMDI 025-2019 定制式醫(yī)療器械力學(xué)等效模型》、《TCAMDI 045-2020 3D打印金屬植入物有限元分析方法》，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布肯定并指導(dǎo)了有限元法在3D打印康復(fù)輔具領(lǐng)域的應(yīng)用，規(guī)范了有限元分析流程。上海九院王金武教授、戴尅戎院士團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量骨科3D打印定制化醫(yī)療器械研究，團(tuán)隊(duì)獲得注冊(cè)人制度下全國(guó)首個(gè)3D打印醫(yī)療器械注冊(cè)證，參與制定16項(xiàng)定制化醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)。