有限元法在骨生物力学领域的应用

生物力学（Biomechanics）是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支，其研究范围从生物整体到系统、器官。骨生物力学作为生物力学的分支，目前基本上借用工程力学的理论，对人体主要骨骼，如颅骨、盆骨、股骨、脊椎骨等进行静力学或动力学的分析，这些结果与临床表现很接近，对于生物医学工程颇具指导意义。

 骨生物力学研究方法

骨生物力学的研究方法有很多种，包括尸体实验、动物实验、物理实验、有限元实验等。然而人体死亡后，生物力学发生改变，尸体实验受到了很大限制；动物模型不能完全替代人体实际情况；物理模型过于复杂，结果也不够直观。

有限元法是一种将复杂力学问题离散化的近似解法，在分析不规则物体的力学特点方面具有优越性。用有限元实验解决骨生物力学的问题，不仅可重复性高，相对省时省力，而且可以得到各部分的应力应变云图，效果直观。

骨生物力学实验分析方法：尸体实验、物理实验、有限元实验（从左至右）

 有限元法在矫形器上的应用

矫形器设计得当能够增加畸形矫正效果、运动功能性和生物力学稳定性，有助于提高患者的康复水平，同时能够减少康复期间的并发症。矫形器作为一种重新分配、调整作用于肌肉骨骼系统压力的机械装置，可以通过控制症状来改善关节功能和增加患者的活动范围。有限元法应用于定制式增材制造矫形器，能够评估定制式矫形器与患者肌肉骨骼相互作用的生物力学特性，以确保其治疗效果、力学稳定和经济效益为前提，充分发挥3D打印难度不受物体复杂程度影响的优势。

上海交通大学医学院附属第九人民医院王金武教授团队使用有限元法评估3D打印颈椎枕的治疗效果

 王金武教授团队相关研究进展

近日，上海交通大学医学院附属第九人民医院承担的科技部重点专项《面向智能设计/仿真协同平台的3D打印医疗器械标准研究与临床应用》顺利结题，项目构建了智能设计/仿真云平台系统框架，开发了医工结合的交互平台与智能设计协同云平台，搭建了模板库大数据管理系统。

智能设计协同云平台

增材制造医疗器械专业委员会分别于2019、2020年前后发布《T∕CAMDI 025-2019 定制式医疗器械力学等效模型》、《TCAMDI 045-2020 3D打印金属植入物有限元分析方法》，团体标准的发布肯定并指导了有限元法在3D打印康复辅具领域的应用，规范了有限元分析流程。上海九院王金武教授、戴尅戎院士团队进行了大量骨科3D打印定制化医疗器械研究，团队获得注册人制度下全国首个3D打印医疗器械注册证，参与制定16项定制化医疗器械标准。