ניתוח יסודות Finite Element Analysis (FEA) הוא שיטת הנדסה חישובית שהפכה את ההערכה הביומכנית של שיקום חללי.על ידי הדמיה של כמה grafts, שתלים, ורקמות הסובבות להגיב לעומסים פיזיולוגיים - כגון mastication, דיבור ותנועת פנים - FEA מאפשר מנתחים וחוקרים לחזות כשלון מכני, אופטימיזציה, והתאמה אישית מספקת מודל מקיף של שיטות שיקום, תכונות בסיסיות של תכונות בסיסיות של תכונות, שחזור עצמיות, עקרונות יסוד נוכחיות, עקרונות יסוד של תכונות.

חידוש ⁇ Craniofacial Bone Reשיקום

טכניקות שיקום העצם של קריין מתייחס פגמים מבניים הנובעים מטראומה (למשל, שברים, פצעי ירי), אנמליות מולדות (למשל, שפת Cשמאל ושיתוק, craniosynostosis), ניתוק אמפוריציציות אטמוספירה אלה, ומחלות מתקדמות כגון אוסטמנטליטיס.

מימון של Finite Element Analysis

FEA מסלקת מבנה מתמשך למספר סופי של אלמנטים קטנים ומחוברים (mesh) לכל רכיב, המשוואות השולטות של מכניקת רצף נפתרות כדי לזרז עקירה, מתח ושדות מתוחים תחת עומסים יישומיים ומגבלות גבול.

  • (ב) ,0) עיבוד מוקדם יותר (PreivingofLT:1) - יצירת גאומטריה, הקצאת רכוש חומרית, השמצה, עומס והגדרה של תנאי גבול.
  • (ב) ,0) ,SolutionFLT:1 - פתרון המערכת של משוואות שונות חלקית (בדרך כלל באמצעות ניוטון-רפסון ההצתה לבעיות לא ליניאריות).
  • (הדגשה:0) עיבוד של ההרחבה:1 - הדמיה ופרשנות של תוצאות (מתחים על ידי Von Mises, לחצים ראשיים, עיוות, קריטריונים כישלונות).

ביישומים craniofacial, ההתנהגות החומרית של העצם הוא לעתים קרובות מודל כמו לינארי אלסטי או אלסטיסטיק, עם תכונות anisotropic המשקפת את הכיוון של עצמות טרבקיות וקורטיות.תנאים ללא לינאריים בממשקים השתלות ומהירויות תלויות זמן של רקמות רכות ניתן גם לשלב, למרות שהם מגבירים את העלות החישובית.

בניית מודל פינטיט של קריין-ofacial Skeleton

צילום: Acquisition and Segmentation

רזולוציה גבוהה מפונקת tomography (CT) או סריקות CT cone-beam לספק את הגיאומטריה תלת-ממדית של השלד הגולגולתי של המטופל. Threshold-based or Semi-automated או למחצה-automated חלקי אזורים העצם מרקמות רכות ואוויר, יצירת מודל משטח.

מדור לדור ובחירת האלמנטים

פני השטח המרוצפים מומרים לתוך מאפר מורכב המורכב של tetrahedral או hexahedral אלמנטים. Tetrahedral להכיל צורות אנטומיות מורכבות עם פחות מאמץ משתמש אבל עשוי להציג דיוק נמוך יותר עבור בעיות מבולדות; hexahedral אלמנטים הם יעילים יותר חישוביים אבל דורשים מחיצה מתוחכמת מחקרים התכנסות הם חיוניים כדי להבטיח כי הם חומר קצר עבור גודל כפול של 2 מ"מ רגיל.

נכסים חומריים והתפטרות

עצמות מוקצה תכונות חומריות הנגזרות מ- CT Hounsfield יחידות (HU) calibrated לדחיסות ונוקשות.גישות נפוצות כוללות מערכות יחסים אמפיריות (למשל, יחסי קלר עבור עצם העובר) המותאם לאתרים גולגולתיים.עבור עצם קוטורית (a cortical Bone) עבור יחסי הידרוביות GPFa-Elowi (S) המבוססים על ⁇ i) מ-Fsydite CVa) 10 עד 10 עד 2.D) , כלומר, כלומר, pamplesual VariiOS (RVal RVa) ⁇ s) ⁇ s CVal) ⁇ s CVal RET CURLUM משתנה מ-Squarepha) ⁇ n=RVEND) ⁇ n) ⁇ n) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , במיוחד מ 10 עד 10 עד 10 עד 10=R.

תנאים חמורים ועומס

תנאי גבול רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית כוללים מגבלות קבועות בבסיס הגולגולת (עבור מודלים על-ידי גזע עליון) או ramus הקדמי (עבור מודלים מטבוליים) כוחות השרירים מוחלים כעומסים מבוזרים או הפעלת כבלים המבוססים על נתונים אלקטרומיים: מפרש, קצבים, ptgoid, ומאוחר יותרal ptgoid לייצר שרירים החלים מ-Nackisicing (כוללים) ל-800 השפעות של כאבי-Ricial).

ניתוח FEA של טכניקות שיקום

גניבת עצמות

Autografts, כגון illac crest או fibular חינם flaps, לספק עצם חיה עם פוטנציאל אוסטיאוגני מעולה. FEA מגלה כי הביצועים המכניים תלויים ביקורתיות על גאומטריה ft, שיטת תיקון, ואת השלמות של ממשקי מארח-גרפה.עבור פגמים חדורים קשיחים, נפיחות בקנה מידה קבוע עם שחזורים מפיץ מדגיש בעיקר דרך צלחת מוקדמת; הוא מוביל לעתים קרובות סגסוגת נאותה.

Allografts ו-Synthetic Bone Substitutes

Allografts (מבודד או decellized) ותחליפים סינתטיים (tricalcium puspus, סידן sulfate מלטs) להימנע מתחלואה באתר התורם, אך חסר תאים אוסטיאוגניים ו Revascularization. FEA מראה כי חומרים אלה חייבים להיות מרוכזים ממשק-שיתוף לחץ-שיתוף ולא מתח עד שהמשטמעה העצם מתרחשת.

Metallic Implants (Titanium ו-Cobalt-Chromium)

לוחיות טיטניום ומלישים נשארים תקן הזהב עבור תיקון בשל יחס גבוה עוצמה למשקל ולהתאמה ביולוגית. סימולציות FEA מוכיחות כי צלחות דקות (0.5-1.0 מ"מ) להפחית את הלחץ מגן ומאפשרות מיקרו-תזונה מועילה לריפוי העצם משני, בעוד שהצלחות עבות יותר לספק יציבות רבה יותר עבור אלגוריתמים ספציפיים של המטופל המשמשות עבור פגמים סרטניים גדולים, FEA מזהה סביב פסגות CEA5 CV אטומים).

High-Performance Polymer Implants (PEEK, PEKK)

Polye Theretherketone (PEEK) ופוליוטריקטון (PEKK) מציעים מודולולי גמיש (3-5 GPa) קרוב העצם הקורטקטיבית, צמצום הלחץ מגן ומניעה העברת עומס. FEA שימש לתכנון שולי פסגות ממוחזרים על ידי ®pEEK מושתלים, בעוד שמירה על שלמות מכנית תחת עומסים, תצוגות PEEKFIRSTIF6 נשטפות, לעומת זאת, עם לחץ על ממשקי קשר אופייניים של 2, עם לחץ דם חתים של 3.

דיסאווגנזה

נוגדנים אוסטאוגנזה (DO) רקמות-מנועיות חדשות העצם על ידי הפרדה הדרגתית של פלחים אוסטיאוסטרומאומתים.מודלים FEA מדמיינים את פער ההסחה עם אלמנטים קלים של callus מכני שלהם מתפתחים לאורך זמן (למשל, המודולוס של יאנג גדל מ 0.1 MPa ל 1 GPa ספציפי התקדמות סימטרית) יש הפרעות דעת (1 מ"מ / יום), כלומר, 7 ימים, כלומר, תופעות לוואי חמורות, או תופעות לוואי שליליות, או תופעות לוואי שליליות, כלומר, כלומר, או תופעות לוואי חמורות, על גבי מיקום אחד, או הפרעה.

היתרונות של FEA בתכנון כירורגי ועיצוב השתלת מותאם אישית

שילוב של FEA לתכנון כירורגי מניב יתרונות קליניים הניתנים למדידה:

  • (FLT:0RiskductionFLT:1) - בדיקות וירטואליות של תרחישים שחזור מרובים מאפשר מבחר של האפשרות החזקה ביותר מבחינה מכנית, הורדת שכיחות של שבר השתל, רופפת, או כישלונ העצם הסמוך.
  • (FLT:0) אופטימיזציה ספציפית לאופטימיזציה של אופטימיזציה ספציפית ל-FLT:1 - FEA מאפשרת התאמה אישית של גיאומטריה השתלת (היקנות, אדריכלות פוירה, דפוס מברג) בהתבסס על האנטומיה של המטופל, צפיפות העצם, וצפוי לטעון לאחר ניתוחי.זה בעל ערך במיוחד במקרים של תיקון אוסטאופוטי.
  • (ה)המחקר המוערך (FLT:0) ,המחקר בדיעבד השווה שחזורים מדומים מתוכננים באופן קונבנציונלי לעומת שחזורים מאומתים FEA הראו ירידה של 40% בכישלון החומרה בעקביות של שנתיים (ראה FLT:2Kim et al., 2019Fevo 3).
  • (FLT:0) סימולציות FEA מסייעות לתושבים ולמנתחים צעירים להבין עקרונות ביומכניים העומדים בבסיס שיקום מוצלח, תוך שימת דגש על מושגים הנדסיים עם קבלת החלטות קליניות.

גבולות ואתגרים

למרות כוחו, FEA אינה מהווה את ה- Proxy המושלם למציאות ביולוגית.

  • (FLT:0)מודלים חומריים המוגברים (FLT:1), רוב המחקרים מניחים התנהגות אלסטית או אורתטרופית ליניארית, התעלמות מעצם תלויה בזמן (חוק של Wolff), סטיות, ונזק הצטברות.אינטראקציות רקמה רכות (למשל, periosteum, שרירים) מושתרות לעתים קרובות.
  • (FLT:0) אי-ודאות בתנאי גבול 1: כוחות שרירים, עומסים משותפים, ושיעורי הריפוי משתנים בין יחידים ויותר זמן.
  • (FLT:0) תלויות מירש"פ:1 - בחירתו של סוג האלמנט, גודל ואיכות יכולה לשנות את גודל הלחץ על ידי 20-50%, במיוחד בנקודות ריכוז הלחץ.
  • (FLT:0) ל- אימות של אימות FLT:1 - אימות ניסיוני הישיר של דגמי FEA באמצעות נתוני מדד זנים מ- CAVER או באתרים של גולגולת האדם נשאר נדיר.מחקרים רבים מאמתים רק נגד נתונים שפורסמו או phantoms סינתטי.
  • (FLT:0) חישוב עלות גבוהה של FLT:1 - מודלים נאמנות גבוהה עם מיליוני אלמנטים ומגע לא ליניארי דורש שעות או ימים של זמן עיבוד, הגבלת השימוש שלהם בזרימות עבודה קליניות שגרתיות עד מחשוב ענן והאצה GPU הופכת למיינסטרים.

להתגבר על אתגרים אלה דורש שיתוף פעולה רב תחומי בין מהנדסים, רדיולוגים ומנתחים, כמו גם הנחיות דיווח סטנדרטיות (למשל, תקן ASME V &V 40 אימות ואימות של מודלים חישוביים של מכשירים רפואיים).

כיוונים עתידיים

Multiscale and Multiphysics Modeling

התקדמות בכוח חישובי ומודלים חוקתיים תאפשר סימולציה של מכניקת העצם בדרגה הרקמות (collagen fibrils, lamellae) ורמת איברים (אשרולגולגולת) Coupling FEA עם דינמיקות נוזלים (למשל, סינוס ventilation) או גירוי חשמלי (למשל, גידול העצם אדזואלקטרי) יספק הבנה הוליסטית יותר של סביבת הגולגולת של הסביבה הגזענית.

ב-Silico Clinical Trials

FEA הוא יותר ויותר נחשב כלי מדעי רגולטורי כדי להפחית את הצורך בניסויים בבעלי חיים ובני אדם.על ידי הדמיה של קבוצות חולים וירטואליות גדולות עם שינוי קצבי באיכות העצם, גאומטריה פגומה, תנאי טעינה, החוקרים יכולים לחזות את שיעורי הכשל ברמת האוכלוסייה ולזהות עיצובי השתל אופטימליים. גישה זו תואמת עם כלי הפיתוח הרפואי של ה- FDA בארה"ב (MD) תוכנית (LTF:0, MDF:0, MDF: 1.75 .

אינטגרציה למידת מכונות

מודלים של הפרדה שאומנו על אלפי ריצות FEA יכולים לספק בזמן אמת, ליד תחזיות מדויקות עבור רשתות עצביות מחוליות חדשות. מהפכתיות (CNN) החלים על מפות צפיפות העצם של CT-דריביות ישירות פלט תפוצה מתח, על ידי עקיפה של זמן-consuming meshing ופתרון שלבים.

3D Bioprinting ו-Tissue Engineering

FEA מנחה את העיצוב של micro-architecture (גודל, קישוריות, קוטר סטריטר) כדי לאזן תמיכה מכנית עם דיפוזיה תזונתית. עבור יישומים craniofacial, affolds bio-resorbable מודפס מחומצה פולי-lactic-co-co-glycolic (PLGA) או זכוכית ביואקטיבית כבר אופטימיזציה באמצעות FEA כדי לדרג באופן שערורייתי עם פוזיציה חדשה, עד לתחזקות מלאה, עד שתחזור מלא.

זרימת עבודה קלינית סטנדרטית

כמו פלטפורמות FEA מבוססות ענן להיות ידידותי יותר למשתמש, המנתחים עשויים להעלות באופן שגרתי נתונים CT ולקבל דו"ח ביומכני בתוך שעות. מוצרים מסחריים כמו חומרי מיצים חדשנות Suite ו- ANSYS SpaceClaim כבר מציעים זרימת עבודה למחצה-אוטומטית המותאם לניתוח מקסילופ.אינטגרציה עם מערכות PACS תייעל תכנון טרום-ניתוח והתאמה.

מסקנה

ניתוח יסודות פינט התפתח מכלי הנדסי נישה למרכיב חיוני של מחקר שיקום מודרני ופרקטיקה קלינית. על ידי קביעת התפלגות מתח, דפוסים עיוותים, וסיכון כישלונות בטכניקות כירורגיות מגוונות - אוטגרופטים, Allografts, שתלים מתכתיים, חסמים מתכתיים, ו osteogenesis - FEA מעצימה מנתחים אסתטיקה לקבל החלטות מבוססות ראיות כי משפרות ואפקטיביים, בעוד שמפתחים פונקציונליים אלה הם מעצימים מתקדמים, תוך כדי שיפור סימולציה ממוחשבת, תוך כדי סימולציה אישית, ואפקטיביים, תוך כדי סימולציה ממוחשבת, ואפקטיביים, תוך כדי סימולציה ממוחשבת, תוך כדי סימולציה ממוחשבת, ואפקטיביים, ואפקטיביים, תוך כדי סימולציה מתמשכת, ואפקטיביים, ואפקטיביים, סימולציה מתקדמת, סימולציה מתקדמת, היא מעצימה אישית, תוך כדי סימולציה מתמשכת, תוך כדי סימולציה ממוחשבת, תוך כדי שיפור סימולציה מתמשכת, סימולציה מתקדמת, סימולציה ממוחשבת, ואפקטיביים, ואפקטיביים, ואפקטיביים, סימולציה מתמשכת, ואפקטיביים של סימולציה מתמשכת, סימולציה מתמשכת, ואפקטיבי

(ב) ויקרא י"ד:

  • (ב) ,ז'ו, א-לוהים, ו-"אל-אסיסטו" (Eslitus and hardness of cortical and trabecularעצםlamellae Measuree) שנמדד על ידי ננו-ידי הדבקות ב-FLT:0Journal of BiomechanicsphFLT:1 זמין ב-FF:2Mubedalph3: 3
  • [מ.מ. מאהג'וב, א' נאזאריאן, et al. (2020) ניתוח יסוד פיניטי של שיקום מגברי ספציפי לחולה: סקירה שיטתית.FLT:0Journal of Cranio-Maxphfacial SurgeryFLT:1 זמין ב-FLT:2PubMedFalph3 .
  • מינהל המזון והתרופות האמריקאי (2022) כלי פיתוח מכשירים רפואיים (MDDT) (FLT:0https: www.fda.gov/רפואיים רפואיים/רפואיים-ניתוח רפואי-מכשירים-מטמים-mdtuaFLT:1).