פיתוח של כלים לאופטימיזציה של מכשירים אורתופדיים

The Mechanical Foundation of Orthopedic Reשיקום

ההצלחה הקלינית של מכשיר תיקון אורתופדי תלויה בסופו של דבר בדיאלוג מכני הוא קובע עם העצם המארחת. צלחת תיקון פנימי, מסמר intramedullary, או רכיב חלופי משותף חייב לספק יציבות מספקת כדי לאפשר גיוס מוקדם בעת ובעונה אחת עידוד התהליכים הביולוגיים של השתלות קשיח או שברים היסטוריים, השתלת התבססה במידה רבה על אוכלוסיה המבוססת על שילוב ובדיקת אמפירים לעתים קרובות, שנועדו לעומס איטי, כמו לחץ על מנת לעמוד בטמפרטורות נמוכות יותר, או ריפוי, וכתוצאה מכך, אשר נועדו לסיבוכים איטיים, אשר נועדו לסיבוכים איטיים, כגון, אשר נועדו לעתים קרובות, שנועדו לסיבוכים איטיים, כגון לחץ על מנת למנוע את הסגירה, שנועדו באופן קבוע, שנועדו לעיכובים, וכתוצאה מכך, וכתוצאה מכך, שנועדו לסיבוכים חמורים, שנועדו לעיכובים, שנועדו לעיכובים, שנועדו לעיכובים, שנועדו לעיכובים, שנועדו לסיבוכים חמורים, שנועדו לסיבוכים חמורים, שנועדו לעיכובים, שנועדו לסיבוכים חמורים, או ריפוי, שנועדו לעיכובים, כגון, שנועדו לסיבוכים חמורים, שנועדו לעיכובים, שנועדו לעיכובים, שנועדו לעיכובים, כגון, כגון, כגון

כלים משלימים שינו את הנוף הזה.על ידי כך שאפשר גישה מדויקת, ספציפית למטופל, וגישה המונעת נתונים לתכנון שתל, מהנדסים ומנתחים יכולים כעת לייעל מכשירים עבור האנטומיה האישית, איכות העצם ודרישות פונקציונליות. מאמר זה בוחן את טכנולוגיות חישוביות הליבה שמניעות את השינוי הזה, מתווה את היישום הקליני שלהם, ומחקור את שילוב העבודה והתקנות הנדרשים כדי להפוך אותם לפרקטיקה סטנדרטית.

הדחף הביומכני לאופטימיזציה של המטופל-הניתוח

כדי להבין מדוע אופטימיזציה חישובית היא הכרחית, יש קודם כל להעריך את הכשלים המכניים הקשורים להשתלים קונבנציונליים, מחוץ ל-Shelf. השלד האנושי אינו מבנה סטטי; זהו רקמת חיה דינמית, הנשלטת על ידי חוק וולף, הקובעת כי עצם מתאימה לעומסים המכניים שהונחו עליו.

מתח ועצמות מחדש

מגן מתח מתרחש כאשר מכשיר תיקון נושא נתח לא פרופורציונלי של העומס המכאני, מה שגורם העצם הסמיך לחוות מתח מופחתת. עצם קוריטי דורש רמה מסוימת של מתח מחזורי (בדרך כלל סביב 500 עד 3,000 מיקרו-אימון) כדי לשמור על צפיפותו ואת הארכיטקטורה שלו.כאשר נופל מתחת לסף זה, פעילות osteoclast מתחילה לבצע פעילות osteoblast, המוביל לאפקטים של תופעות לוואי זה הוא בדרך כלל טיפול שורש עם שברים).

יציבות ואוסישוינטציה

עבור שתלים ללא מלט, יציבות מכנית ראשונית היא תנאי מוקדם עבור תיקון ביולוגי ארוך טווח.מיקרו-תזונה בממשק העצם-ההשתלות הוא צופה קריטי של התוצאה.אם תנועה יחסית עולה על 150 מיקרומטר, הרשת השבירה של עצם הריפוי הוא משבש, ורקמות פיברוס ולא רקמות אוסגונית ממלא את הפער.

איכות העצם משתנה

צפיפות מינרלים העצם (BMD) משתנה באופן דרמטי בין חולים לאזורים שונים של עצם בודד.אוסטאופוטית העצם מציגה אתגר מסוים עבור תיקון בורג, שכן כוח משיכה מתלווה ישירות עם BMD המקומי. Computational זרימת עבודה משולבת CT כמותית (QCT) נתונים יכולים למפות את ההפצה תלת מימדית של אלגוריתמים של אופטימיזציה העצם יכול להיות מועסק כדי לקבוע את אורך המברגו האידיאלי, ובמיוחד את המברגוטיקה, כאשר יש למשוך בעיה כרונית מתמשכת.

תיבת הכלים של ה-Comutational Toolbox: A Step-by- Workflow

אופטימיזציה של מכשיר תיקון אורתופדי אינה פעולה אחת אלא צינור מובנה של שלבים חישוביים.כל שלב בונה על הקודם, ואת איכות התפוקה הסופית קשורה ישירות לשקיית הקלטים והנחות המשמשות.

שלב 1: סדר גבוה אנטומי של שיקום

כל אופטימיזציה ספציפית לחולה מתחילה עם הדמיה רפואית. גבוהה-resolution אמפטוגרפיה (CT) הוא תקן הזהב עבור השגת נתונים העצם נפחי.הנתונים של DICOM מעובד באמצעות אלגוריתמים מקטעים המקצים כל voxel למחלקה רקמה (בסיס קוקטי, ביטול העצם או רקמת מודרנית) משתמשים בסף, באזור, בקידוד פעיל וקונטור פעיל כדי ליצור מודל מדויק של חומרת נגד כל סוג של חומרת של דיוק או אטומית מורכבת.

שלב 2: עיצוב יצירתי ועיצוב ממוחשב

לאחר שהאנטומיה נלכדה, המהנדס חייב לעצב את הגיאומטריה של השתלים.תוכנת עיצוב ממוחשב (CAD) התפתחה לכלול אלגוריתמי עיצוב ניו-ריים המציעים באופן אוטומטי מגוון של גיאמטריה קיימא המבוססת על מגבלות מוגדרות.עבור צלחת שבר periarticular, המגבלות עשויות לכלול את הצורך לעגל אזור שבר ספציפי, להימנע ממבני דפוס קריטיים, ולקבל ברגים בזווית מסוימת.

שלב 3: ניתוח טכני עבור בדיקות מכניות וירטואליות

ניתוח אלמנט פינט הוא עבודת אופטימיזציה של השתל חישובי. FEA מסיט את עמוד השדרה המורכב לבנות לתוך מיליוני אלמנטים דיסקרטיים ו פותר את המשוואות השולטות של מכניקת המשך עבור כל אחד.

• (FLT:0) תכונות אוויריות: FLT:1 העצם הוא heterogeneous, anisotropic, חומר לא לינארי.המודולולים האלסטיים של העצם מבטל יכול לנוע בין 10 MPa ללמעלה מ-1,000 MPa בהתאם למיקום ודחיסות. עצם קוריטי הוא נוקשה יותר באופן משמעותי, אבל חלש יותר במתח מאשר מודלים מודרניים FEA להקצות תכונות חומריות על בסיס של מערכת יחסים מכנית-על-ידי-מי באמצעות יחידות מכניות.
• (FLT:0) תנאים: FLT:1 המודל חייב לשכפל את סביבת הטעינה הפיזיולוגית. עבור מטומט, זה כולל את כוח התגובה המשותף בהירכיים, כוחות שרירי ה-bductor, ואת הכוחות של הלהקה החוסן.
• (FLT:0) צור קשר מכניקה: FLT:1האינטראקציה בין השתל לבין העצם היא בדרך כלל מודל כמו מגע חיכוך או מגע מחובר.מגע פריצה מאפשר תחזית של micromotion ללבוש מפרש.
• (FLT:0) Mesh Convergence:FLT: 1 הפתרון חייב להיות עצמאי צפיפות mesh. a meshהתכנסות מחקר כרוך refining את גודל האלמנט עד הלחץ והזן הצפוי לייצב. השימוש של אלמנטים tetrahedral עם פונקציות צורה quadratic הוא נפוץ ביומכניקה אורת.

שלב 4: טופולוגיה וכושר אופטימיזציה

עם מודל FEA מאומת ביד, המהנדס יכול להמשיך אופטימיזציה פורמלית.שתי הקטגוריות העיקריות הן אופטימיזציה טופולוגיה אופטימיזציה ואופטימיזציה צורה.

אופטימיזציה טופולוגיה

אופטימיזציה טופולוגיה עונה לשאלה: היכן צריך להיות חומר ממוקם בתוך המרחב העיצוב כדי להשיג את הביצועים הטובים ביותר? האלגוריתם מסיר באופן יצירתי חומר לא יעיל, משאיר מבנה אשר ביעילות משדר עומסים העצם.זה שימושי במיוחד עבור הפחתת הנוקשות של צלחת מנעול כדי לקדם היווצרות שיחה נוקשה. A שהוא מעכב תנועה בין-פרימנטיקה, שהוא גירוי ראשוני עבור היתרי נשימה משניים מספיק כדי למנוע אופטימיזציה של העצם היא מספיק כדי למנוע אופטימיזציה של 0.

עיצוב ומבנה Lattice

אופטימיזציה Shape משנה את הגבול של עיצוב קיים כדי להפחית ריכוזים.עייפות גבוהה מחזור של שתלים מתכתיים לעתים קרובות מתחיל בפינות חדות או לאנים.אופטימיזציה חלקה את המעברים האלה, מרחיבה את חיי העייפות של מבני השתל. Lattice, אשר מחקה את הארכיטקטורה של עצם ⁇ של נוקשות, מייצג זיכוך נוסף.

סימולציה עם Machine Learning

למרות כוחו של FEA, חד-נאמנות, סימולציה לא ליניארית יכולה לקחת שעות או אפילו ימים כדי להשלים. כאשר אלגוריתם אופטימיזציה חייב להעריך אלפי עיצובי מועמד, העלות החישובית הופכת לחסימת.

ניתוח מודלים וצמצום - פיסיקה

מודל חלופי הוא רשת עצבית או תהליך Gaussian מאומן על תחילת נתונים של תוצאות FEA. הפונדקאית לומד את המיפוי בין הפרמטרים עיצוב (למשל, צלחת, עובי, זווית בורג, צפיפות לקטוף) ומדדי ביצועים (למשל, שיא פון מיז מדגיש, דלקת מפרקים ממוצע) לאחר אימון, הפונדקאית יכולה לחזות את התוצאה של עיצוב חדש במילימטרים שנייה מאפשר אופטימיזציה של כל עיצוב גבוה.

תחזית ל- Clinical Outcomes

למידת מכונה גם מוחלת ישירות על נתונים קליניים כדי לזהות גורמי סיכון עבור כישלון השתל. רשם אורתופדי גדול מכיל אלפי מקרים עם מידע מפורט על דמוגרפים המטופל, טכניקה כירורגית, סוג ML מודלים יכולים לנתח נתונים אלה כדי לחזות את ההסתברות של אי-union, השתלת, או זיהום מבוסס על שילוב של גורמים ספציפיים לחולה ו-שתלים.

יישומים קליניים וראיות של השפעה

היתרונות התיאורטיים של אופטימיזציה חישובית הם יותר ויותר נתמך על ידי ראיות קליניות.יישומים מסוימים מסוימים ממחישים את בגרות הגישה.

פלטות העצם אופטימיזציה עבור פריארטבי Fractures

שברים של הטיילת החמקמקה ופרוקסימאליים קשה מאוד לנהל את לוחיות נעילה סטנדרטית הם לעתים קרובות נוקשה מדי, המוביל לשיעור לא אחיד שיכול לעלות על 10% בסדרה כלשהי. אופטימיזציה משלימה שימשה כדי לאשר לוחיות עיצוב עם מושג "מנעול קוטרקטי" או עם כישלונות דחוסים אסטרטגי.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « קונסולים קונסולים קונסולים קונסולים קונסולים קונסולים קונסולים קונסולים מתאימים» קונסולים מתאימים» קונסולכיבית» קונסולים קונסולים מתאימים» קונסולים עבור כמה קונסולים מתאימים ל» קונסולים מתאימים ל» קונסולים מתאימים» קונסולנטים עבור כמה קונסולים מתאימים עבור

התחדשות כוללת היפ ארטרופסטוי בהגדרת אובדן עצמות חמור (סוג 3 פגמים) מציג אתגר ייחודי. Off-the-shelf Jumbo או רבודה לעתים קרובות נכשלים להשיג את הקשר האינטימי הנדרש עבור תיקון יציבים (pprosky) תקן הטיפול השתנה לכיוון מותאם אישית, triflange aceabular רכיבים שנועדו סריקה מוקדמת של המטופלת הם שיפור ה-Folways כדי לייעל את ה-Ricate ה-Fited.

טיפול בחולים-הסוואה

בתיקון עיוות מורכב של ספיןאלי, מיקום בורג pedicle חייב להיות מדויק כדי למנוע פגיעה נוירולוגית.כלי תכנון Computational להשתמש בנתונים CT של המטופל כדי לקבוע את קוטר המברג האופטימלי, אורך וטרפורציה. מיקום בורג המתוכנן מתורגם אז למדריכים כירורגיים או לנווט מכשירים שנקבעו על ידי תכנון חישובי, FEA חישובי יכול לחזות את הכוחות הנכונים הדרושים כדי להשיג תחזית ניסיונית או ניתוחי, מאפשר שיפור של זמן מתאים של תיקון 1FSTFST, כלומר, כלומר, כדי לתקן, כדי לתקן, תיקון סטנדרטי, כלומר, כלומר, תיקון פרוטוקולים, תיקון סטנדרטי, כלומר, תיקון סטנדרטי, תיקון סטנדרטי, מאפשר תיקון סטנדרטי, תיקון פרוטוקולים, תיקון סטנדרטי, תיקון סטנדרטי, תיקון סטנדרטי, תיקון סטנדרטי, כלומר, מאפשר, תיקון סטנדרטי של זמן סטנדרטי של תיקון סטנדרטי של תיקון פרוטוקולים, תיקון סטנדרטי של זמן סטנדרטי של תיקון סטנדרטי של תיקון סטנדרטי של תיקון סטנדרטי, תיקון של תיקון של תיקון סטנדרטי של תיקון של תיקון של תיקון סטנדרטי, תיקון סטנדרטי, תיקון סטנדרטי, תיקון סטנדרטי, תיקון סטנדרטי של תיקון סטנדרטי של תיקון של מערכת ההפעלה, תיקון סטנדרטי, תיקון של תיקון של מערכת ההפעלה, מעבר תכנון מסלול 1STFEASTFEASTFEASTFEASTFEAST.

שילוב של כלים לזרימת העבודה הסורגית

התרגום של עיצוב חישובי לתוצאה כירורגית מוצלחת דורש שילוב חלק לתוך זרימת העבודה הקלינית.זה כולל שלושה שלבים נפרדים: תכנון טרום-אקטיבי, ביצוע תוך ניתוח, ו ניטור שלאחר הניתוח.

תכנון מראש ופיתוי

תוכנת תכנון כירורגית מודרנית מאפשרת למנתח לייבא את סריקת CT של המטופל, לפרט את העצם ולמקם שתלים וירטואליים.התוכנה מספקת משוב בזמן אמת על השתל, מיקום ברג, וכלים בתכנון העצם המשלבים FEA בסיסית יכולים להעריך את יציבות המבנה המתוכנן, התראה על המנתח אם תצורה מסוימת של ברג עשויה להוביל לכישלון.

חקירת מחלות החולה

מכשיר ספציפי לחולה (PSI) הוא ההתגלמות הפיזית של התוכנית החישובית.מדריכי PSI הם בדרך כלל 3D מודפס פולימר ביו-אי לא תואם תוכנן כדי להתאים את ציון דרך מסוים בוני.המדריך יש שרוולים כי למקם את התרגיל בדיוק על פי תוכנית preoperative. PSI הוכח כדי לשפר באופן משמעותי את הדיוק של מיקום pedicle בעמוד השדרה ואת של אוסטאוסטרוינטרופ חתכים.

שיטות תגמול ואימות של מודלים Computational

עבור כלי חישובי שיש להשתמש בעיצוב של מכשיר רפואי שיושתל בחולים, זה חייב לעבור אימות קפדני. גופם של רגלטורי, כולל מינהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA), הקימו מסגרות להתאמה של מודלים חישוביים.

כלי פיתוח רפואי (MDDT)

תוכנית MDDT של ה- FDA מספקת מסלול להכשרה של מודלים חישוביים ככלי שניתן להשתמש בו כדי לתמוך בפיתוח מכשיר רפואי.מודל חישובי מוסמך ניתן להשתמש כדי ליצור ראיות של בטיחות ויעילות במקום של בעלי חיים או ספסל מסוימים.זה מאיץ באופן משמעותי את ציר הזמן לפיתוח עבור שתלים אופטימיזציה.

ASME V&V 40 Standard

האגודה האמריקנית של מהנדסי מכונות פרסמה את תקן V&V 40, המספקת מסגרת מודעת לסיכון להערכת האמינות של מודלים חישוביים.סטנדרט דורש מפתחי מודל לקבוע את ההקשר של השימוש, לזהות את הסיכונים המודל, ולבצע אימות ופעילויות אימות ביחס לסיכונים אלה.FLT:0 אישור לסטנדרט V&V 40 הופך למעשה לדרישול עבור הגשתים מעורבים במודלים ספציפיים אשר תוכנן בבירור על ידי התאמה (Factation) ללא דיוק ספציפי של תאים) אשר תוכנן באופן ברור של תאים (Factation) אשר תוכנן ללא דיוק מוגדר באופן ברור של תאים) אשר תוכנן ללא דיוקים (DPS).

עיצוב עתיד: The Digital Twin and אוטונומי

התחום הוא שילוב של מושג "תאום דיגיטלי" עבור המטופל האורתופדי. תאום דיגיטלי הוא העתק וירטואלי של האנטומיה והשתלה של המטופל המתעדכן ללא הרף עם נתונים מחיישנים בעלי לבשה ועוקבים קליניים. זה תאום יכול לחזות את הביצועים ארוכי הטווח של השתל ולהזהיר את המנתח עד כישלונות מתמשכת בצד העיצוב, שילוב של 24 נקודות ניתוח עצמאיות ואופטימיות לקראת שבועות של מערכת הפעלה מלאה של אטומית, תוך כדי אלגוריתמית של אלגוריתמים לטווח מלא, תוך כדי אלגוריתמים לטווח ארוך, תוך כדי אלגוריתמים לטווח מלא, תוך כדי אלגוריתמים לטווח ארוך, תוך כדי אלגוריתמים של מערכת הפעלה מחדש של אלגוריתמים של אלגוריתמים לטווח ארוך, תוך כדי אלגוריתמים לטווח ארוך, תוך כדי אלגוריתמים לטווח ארוך, תוך כדי אלגוריתמים לטווח ארוך, קרוב לייעלות, תוך כדי אלגוריתמים בעיצוב מלא של מערכת הפעלה מחדש של שעות תכנון, קרוב להורדת CT-ידי מערכת הפעלה מחדש של אלגוריתמים לטווח ארוך, קרוב להורדת CT-טווח קצר של מערכת הפעלה מחדש של שעות תכנון, קרוב לכדי אלגוריתמים לטווח ארוך, קרוב לבדיקות CT-ידי מערכת הפעלה מחדש של אלגוריתמים לטווח ארוך, יהיה מסוגלות, קרוב לכדי אלגוריתמי

הפיתוח של מכשירים ביו-resorbable תיקון, אשר מבטל את הצורך בניתוח שני להסרת חומרה, גם תלוי במידה רבה אופטימיזציה חישובית.מכשירים אלה חייבים לשמור על כוח מספיק עבור ששת עד 12 שבועות הדרושים לריפוי העצם, אבל אז לדעוך במהירות ובבטחה. מודלים של קינטיקה, בשילוב עם FEA של המבנה הריפוי, הם חיוניים לתכנון השתלת שחלה מחדש כי להשיג איזון עדין זה.

מסקנה

הפיתוח והפריסה של כלים חישוביים עבור אופטימיזציה של מכשירים כירורגיים אורתופדיים מייצגים את ההבשלה של השדה מאמנות אמפירית למדע כמותי.על ידי שילוב הדמיה אנטומית גבוהה, סימולציה אלמנט סופי קפדני, אופטימיזציה פורמלית פורמלית ולמידה, הקהילה האורתופדית מסוגלת כעת לתכנן שתלים המותאמים לצרכים מכניים וביולוגיהיים של שיטות ריפוי גבוהות יותר, כמו גם שיטות עבודה סטנדרטיות יותר, כך שיעזרו יותר, כמו גם לפתח תהליכים סטנדרטיות יותר, כמו גם את שיטות עבודה סטנדרטיות יותר, כך שיעזרו יותר, כמו גם את התהליכים הקליניים.