חיזוי ההתנהגות המכנית של ליגמנטים במהלך פציעה באמצעות מודלים של פיניטמנט

למה ליגמנט פוגע בחומרים מכניים

פציעות הליגמנט הן בין הטראומה המוסולית הנפוצה ביותר שנקלעה בספורט, תאונות וחיי היומיום.הרצועה הקדמית (ACL) לבדה מהווה למעלה מ-200,000 פציעות מדי שנה בארצות הברית, עם רבים המובילים לאי יציבות משותפת לטווח ארוך ואוסטאוארטיסטיקה.הבנת ההתנהגות המכנית המדויקת של ligaments במהלך פציעה אינה רק פעילות אקדמית - היא מודיעה ישירות לפרוטוקולים כירורגיים, למנוע שיקום, מנגנוני שיקום, שיקום ושיקום.

גישות מסורתיות ללימוד מכניקת הligament התבססו על ניסויים קטואביים, מודלים של בעלי חיים והתבוננות קלינית.בעוד שערך, שיטות אלה מוגבלות על ידי מגבלות אתיות, יכולת הדגימה, וחוסר יכולת לצפות בהתפלגות מתח פנימית בזמן אמת.זה המקום שבו FLT:0)Finite Elements (FEM)FLT:1 הופיעו ככלי טרנספורמטיבי, המאפשר לחוקרים לדמות התנהגות כמעט בכל מצב של עומס מרחבי.

מאמר זה מספק מחקר מעמיק של איך FEM משמש לחזות את התגובה המכנית של הרצועות במהלך פציעה. אנו נבחן את העקרונות הבסיסיים של FEM, תהליך שלב אחר שלב של בניית מודל ligament, יישומים מרכזיים בחיזוי פציעות, אתגרים נוכחיים, ואת הכיוונים העתידיים המרגשים המבטיחים להפוך את המודלים האלה אפילו יותר חזקים וקליניים יותר.

יסודות של מודלים של Finite Elements ב Biomechanics

בבסיסו, מודל פינטיט Element הוא שיטה מספרית לפתרון בעיות בהנדסה ובפיזיקה על ידי אספקת מערכת גדולה, מורכבת לחלקים קטנים יותר, פשוטים יותר הנקראים FLT:0finite אלמנטים FLT:1 [האלמנטים האלה קשורים בנקודות הידועות בשם Nodes, ויצרו מאפר שדומה לגאומטריה של המבנה בפועל.

(בביומכניקה, FEM מגנה את הפער בין מדע החומרי התיאורטי לבין רקמות ביולוגיות אמיתיות. Ligaments מאתגר במיוחד מודל כי הם מציגים לא ליניארי, אנזוטרופי, מולקולטיקה, ונכסים הומוגניים: שלא כמו מתכות או פלסטיק, רצועות לעבור מודלים של ויסקו-פוסטיים גדולים, קשיחים כמו שהן מתוחות, ותגובה מכנית שלהם תלויה בקצב של תוכנת טעינה מודרנית (AFEM) כגון APTS (AQFVFV) או DIRFVFV (APTS) מורכבות (APTS) או DIRFV (APTS (APTS) – ALT2 (APTS) או DVFVFV (APTS)

נאמנות של סימולציה FEM תלויה בשלושה עמודי עמוד: דיוק גיאומטרי (התדמיות רפואית), אופי רכוש חומרי (מבדיקה מכנית), ותנאי גבול מתאימים (ייצוג החזקות ואינטראקציות של השלד עם רקמות אחרות) כאשר עמודי התווך האלה חזקים, FEM יכול לחשוף ריכוזים, תבניות, ומנגנוני כשל שהם בלתי נראים לטכניקות ניסיוניות קונבנציונליות.

מייל היסטורי מפתח

יישום FEM לרצועות ביומכניקה התפתח במשך עשרות שנים. מאמצים מוקדמים בשנות ה-80 השתמשו במודלים פשוטים של מטוסים דו-ממדיים של ligaments הברך.עד סוף שנות ה-90, מודלים תלת-ממדיים מנתוני MRI הפכו לעמידים, וחוקרים במוסדות כמו FLT:0 Orthopdicae Research Society of the:1FLT החלו לסימולציה ניסיונית של שיטות מחקר מקדימות, לאחר מכן, לעומת זאת, אשר נבדקו על ידי מודל של מחקר דמנציה, אשר נראה כ- 90%, אשר היה נתון.

אנטומיה ונכסים חומריים של ליג'ינגס

כדי לבנות FEM מדויק, יש להבין תחילה את המבנה ההיררכי של הרצועות. Ligaments הם להקות צפופות של רקמת החיבור של fibrous המחברת את העצם העצם, מתן יציבות משותפת פסיבית.הרכיב המבני העיקרי שלהם הוא FLT:0Type I collagenFLT:1, אשר מאורגן לתוך fils, סיבים, fascicles, ולבסוף אזור נייחים ליניאריים (מעגל) נותן לחץ לא אופייני (מחץ) כישלונות) כישלונות (מסוגים) כישלונות (מסוגים) כישלונות) כישלונות (מסוגים) כישלונות (מסוגים כישלונות) כישלונות) כישלונות) כישלונות (מסוגלנית).

בנוסף, רצועות מכילות פרוטוגליצרנים, אלסטולין, fibroblasts, ומטריקס אקסטרים עשיר במים.תוכן המים (כ 60-70% על ידי משקל) תורם להתנהגות מולקולטית - ligaments הם נוקשים יותר בקצב גבוה יותר, אשר מסביר מדוע איטי במהירות נופל עלול לגרום לדפוסי פציעה שונים מאשר התנגשויות ספורטיביות מהירות גבוהה.

תכונות חומריות מתקבלות בדרך כלל מבדיקות לא-יקסיאליות על הכנות עצמות- עצם-עצם-עצמות. פרמטרים מרכזיים כוללים את ה-FLT:0 Young's ModulusFLT:1 (בערך 200–500 MPa באזור ליניארי מול ACL), כוח רב-קרקעי מוחלט (כ-30-40 MPa), וכישלון (10-15%).

תהליך שלב-בי-שלב של בניית קרן ליגמנט

יצירת FEM צפוי של פגיעה ברצועה כוללת זרימת עבודה מוקרן בקפידה המשלבת הדמיה רפואית, שיקום גיאומטריה, דור מרש, מודלים חומריים וסימולציה.כל צעד דורש מומחיות ספציפית דומיין ואימות נגד נתונים ניסיוניים.

צילום: Acquisition and Segmentation

MRI גבוה-resolution או סריקות CT של המפרקים נרכשים, בדרך כלל עם עובי פרוסה של 0.5-1.0 מ"מ. עבור ligaments, FLT:0שומן-supuppressed proton-density MRIFLT:1 רצפים מספקים ניגוד מצוין בין ה- ligament ו-Sle-Sle-upatele-upal-upated כלים (למשל, Mimics, Simples, Simples, או s) הם רק אתרי Sligaicrepleated) אשר משמשים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, חלקיים אחרים, Sligacid, או מ-S.

2.היצירה והסירוב

הגיאומטריה המופרעת מומרת לשקע מורכב המורכב של אלמנטים tetrahedral או hexahedral. מודל גירוד טיפוסי עשוי להכיל 50,000 עד 500,000 אלמנטים. mesh חייב להיות מעודן באזורים של ריפוי גבוה או ריכוז הלחץ הצפוי (למשל, שילוב העוברי של ACLgence מחקרים מבוצעים כדי להבטיח כי עוד meshment לא יכול להיות מחושב יותר על ידי אלמנטים איכותיים (למשל, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, תכונות איכות ירודה).

3.הסתירה של נכסים חומריים

כפי שנדון, תכונות חומריות נגזרות ממבחנים ניסיוניים.עם זאת, משום שנכסים של הגירשה משתנים עם הגיל, המין וההטעינה, מודלים רבים משתמשים במגוון ערכים כדי לייצג את יכולתן של האוכלוסייה.לדוגמה, ייתכן שהמודולו של ACL נקבע ב-300 MPa עם יחס נוקשה של פומפסון של 0.49 (כמעט בלתי ניתן להטמיע לאחרונה את ה-LTF:0fiberir-F: רכזת חומרים אלה, באופן מפורש, אשר מאפשר ליישב את ה-F.

4.הגדרה של תנאים חמורים ועומס

תנאים קשים לדמות את ההחזקה של הרצועה לעצם.בדרך כלל, אתרי ההכנסה קבועים או קשורים לגופים קשיחים המייצגים את העובר ואת הטיה.טעינה ניתן ליישם כמעקירה שנקבעה (למשל, תרגום מהיר של 10 מ"מ) או כוחות (למשל, כוח Nterior) כדי לדמות פציעה, לעתים קרובות החוקרים ליישם טעינה משולבת - מודל פנימי, אשר עשוי לכלול גם את השבר, כלומר, לא יכול לכלול את המנגנון הישר, כלומר, כלומר, לא יכול ליצור מגע משותף, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לא יכול להיות בעל פה, הוא גם כן, כלומר, כלומר, הוא לא תקין, הוא, הוא, הוא, כמו גם כן, הוא, הוא, או לא יכול ליצור קשר מוסרי, עם כוח NPOL.

5.סימציה ופוסט-תוצאות

(הפתר) מפעיל ניתוח חד-סטטי או דינמי בהתאם לשיעור ההטענות.לטעינה איטית, פתרונות סטטיים מספיקים; עבור השפעות בעלות גבוהה (למשל 10 מ"ר), דינמיקות מפורשות נדרשות כדי ללכוד אפקטים אינרציה. Outputs כוללים מתח ועשרות זנים בכל אלמנט, עקירת עקירה, וכוחות תגובה מוחלטים בחזקות העצם.

תוצאות חיפוש עבור FEM ב-Legament פציעות

הכוח האמיתי של FEM הוא ביכולתו לבחון תרחישים של פציעות שקשה או בלתי אפשרי לשכפל באופן ניסיוני.

פציעות ספורט: ACL ב- Non- Contact Mechanisms

פציעות ללא מגע ACL מהוות 70-80% מכל דמעות ACL, המתרחשות לעתים קרובות במהלך השמדה פתאומית, חיתוך או נחיתה מפיצה.שימוש ב-FEM ספציפית לנושא, החוקרים הראו כי שילוב של זווית flexion הברך (ראה:0Hosseini et al. ב-Journal of Bone and Joint SurgeryFLT:1 השתמש ב-FEM כדי להוכיח כי 10° צריך להגדיל את ה-Abnmec, כלומר, כלומר, 000, 000, 000, כלומר, כלומר, 000, 000, 000, 000, 000, למה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, כדי להגדיל את זה יותר מדרונות, למה הם נוטים יותר מדרונות, כדי להגדיל את זה יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, כדי להגדיל את זה יותר מדרונות, 000.

התרסקות לרכב ושחיקה

פציעות ליגמנט הן גם נפוצות בהתנגשות רכב מוטורי, במיוחד שוטפת המשפיעה על עמוד השדרה צוואר הרחם. FEMs של הרצועות הצוואר (למשל, זחל, transverse, ו- capsular ligaments) כבר משולב במודלים אנושיים שלמים בגוף כגון מודל גוף אנושי גלובלי (GHBMC) סימולציות אלה חשפו כי הרצועות הקופות השדרה הם סימנים אחוריים של השפעות מדויקות יותר של סרטן צוואר הרחם (מעלה) ואפקטים) על פני 50% יותר ויותר על פני השטח.

תכנון כירורגי ועיצוב Implant

(FEM משמש יותר ויותר לייעל ניתוחי שיקום של ligament. for ACL, המנתחים חייבים לבחור סוג של גרפט, מיקום מנהרה, ושיטת תיקון.AFEM יכול לדמות תצורה שונה של גניבת מטענים (מנתחים עצם-על-עמוד השדרה לעומת חסימה) בתנאי טעינה שונים כדי לחזות מתחים חמורים יותר וסיכון של re-rupture.לדוגמה, מודל על ידי FLT035065 , בתנאי לחץ קיצוני נמצא בעמדה זו בעמדה גבוהה יותר מ-Jouric של 2.

המונחים: Ensuring Model Accuracy

לא FEM הוא שימושי אלא אם כן הוא מאומת נגד נתונים ניסיוניים.אימות בדרך כלל כרוך השוואת תחזיות מודלים למדידות בניסויים קדמיים בתנאים של טעינה זהה. mtrics כוללים שדות עקירה, זנים משטח (באמצעות מתאם דיגיטלי), וכוח הגירה (באמצעות תאי עומס המצורפים על העצם).

אחד המחקרים התקפים הקפדניים ביותר נערך על ידי FEM של ACL האנושי על ידי 10 ברכיים:0Woo et al. (2016) ,(ראה פרק 1: 1), אשר השווה FEM של ACL האנושי בניסויים על 10 ברכיים קדראריים.המודל חזה את הכוח לשבת בתוך 12 שגיאות על פני טווח של עומסים נסתרים מ 50 עד 200 N.

אתגרים נוכחיים ב-Ligament FEM

למרות התקדמות יוצאת דופן, כמה מהמכשולים מונעים מ-FEM להיות כלי קליני שגרתי עבור חולים בודדים.

המונחים: subject-Specific Variability

גיאומטריה, נקודות החדירה, ונכסים חומריים משתנים באופן נרחב בקרב אנשים.בעוד ש-MRI יכול ללכוד גיאומטריה, בתכונות חומריות vivo קשה למדוד באופן לא פולשני.רוב המודלים מסתמכים על תכונות מעובדות באוכלוסייה, אשר עשויים לא לשקף את ההתנהגות האמיתית של הרקמה לאדם ספציפי.

עלויות פיצוי

מודלים תלת-ממדיים מפורטים עם מאות אלפי אלמנטים יכולים לקחת שעות עד ימים כדי פתרון על עבודה טיפוסית.זה מגביל את היכולת לבצע מחקרים פרמטריים גדולים או סימולציות בזמן אמת לתמיכה בהחלטות קליניות.התקדמות במחשוב מבוסס GPU והפחתה של סדר מודל הם בהדרגה מזרזים את הבעיה.

מורכב Multiscale ו- Multiphysics Coupling

פציעה ליגמנט כוללת תופעות בקנה מידה מרובים - מהתמוטטות fibril במיקרו בקנה מידה למאקרוסקופי kinematics משותף, בנוסף, זרימת נוזל בתוך הרקמות משפיעה על התנהגות מולקולסטית.קישור המאזניים האלה במודל יחיד נשאר אתגר עצום.התעורר מודלים רב-phase כי לטפל ברצועה כמו סיבים-reinforcedforcesive poelastic מבטיח חומר ניסיוני רחב אך דורש משאבים נרחבים.

כיוונים עתידיים: Machine Learning, Personalization, and Beyond

הדור הבא של ligament FEM יהיה ככל הנראה לשלב למידת מכונה (ML) כדי להתגבר על המגבלות הנוכחיות.מודלים של Surrogate מאומן על מסדי נתונים FEM גדולים יכול לחזות סיכון ב- מילימטרים, המאפשר משוב בזמן אמת עבור ספורטאים או תכנון ניתוח וירטואלי.לדוגמה, חוקרים בסטנפורד פיתחו רשת עצבית המנבאת ACL מ-20 משתנים (כגון זווית גמישה בברך, quadepal), אך בעלת משקל זעיר, אך ורקמות, עם דיוק זעיר, אך ורק במעט, עם משקל זעיר, אך ורקמותרפי, אך ורקמותרפי, עם משקל נמוך יותר, אך ורק במעט, עם משקל נמוך יותר, עם משקל נמוך יותר, אך ורק במעט, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל נמוך יותר, עם משקל נמוך יותר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, אך ורקמותרפי, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, אך ורקמותרפי, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר, עם משקל זעיר של חישובי, עם משקל זעיר, אך ורק במעט יותר מגובה FEM

דרך מבטיחה נוספת היא יצירת הגיאומטריה המוגברת של המטופל:0 (תתאומות דיגיטליות) של מפרקי מטופלים בודדים.על ידי שילוב של גיאומטריה מ-MRI של המטופל, הערכות פונקציונליות (למשל, ניתוח gait), ונתוני חיישן לביש, FEM מותאם אישית יכול לחזות בסיכון במהלך פעילויות ספציפיות ולהמליץ על תרגילים או מיישר ראייה זו עם רחב יותר של תרופות או דיוקים.

יתר על כן, ההתקדמות בדוגמנות חומריות, כגון שילוב מכניקת נזק וסיבים מחדש, תאפשר ל-FEM לדמות לא רק את הפגיעה הראשונית, אלא גם את תהליך הריפוי ואת ההשפעות של התערבות כירורגית. בשילוב עם מודלים מכניולוגיים, זה יכול לחזות אם רצועה חלקית קרועה תתרפא עם ניהול שמרני או אם ניתוח הוא בלתי נמנע.

מסקנה: כלי עוצמתי עם הגדלת רלוונטיות קלינית

מודלים של פינטמנטל מהפכה ביכולת שלנו לחזות את ההתנהגות המכנית של הרצועות במהלך פציעה.מדמעות ACL על שדה הספורט כדי לשוט בתאונות דרכים, FEM מספק תובנות שאינן ניתנות להשגה באמצעות שיטות ניסיוניות בלבד.הטכנולוגיה התבגרה ממודלים פשוטים אלסטיים ועד לסימולציות מורכבות, מאומתות ספציפיות, ספציפיות בכפוף לגמישות, סיבים, ובתנאי טעינה.

עם זאת, התרגום של FEM ממעבדות מחקר לפרקטיקה קלינית עדיין דורש אתגרים גוברים בהתאמה אישית, יעילות חישובית, ואימות על פני אוכלוסיות מגוונות.כפי שטכניקות הדמיה משתפרות, למידת מכונה מאיצה סימולציות, וההבנה שלנו של ביולוגיה של ligament להעמיק, FEM יהיה כלי חיוני יותר ויותר עבור רופאים, מנתחים, ומאמנים אתלטיים.

עבור כל מי שמעורב בטיפול אוטפיאודי או מניעת פציעות, שמירה על קצב ההתפתחויות ב-FEM אינה רק מועילה - זה חיוני.מודלים של היום כבר מעצבים מחדש את האופן שבו אנו לאבחן, לטפל ולמנוע פציעות לרצועה, ואת המודלים של מחר להבטיח אפילו דיוק גדול יותר ונגישות.