利用丰田的THUMS虚拟人体模型开发评估漏斗胸的有限元模型【Simpleware应用】

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概述

基于成像数据的人体虚拟测试对于缓解生理实验的伦理和实际问题具有非常重要的意义。在本案例中,日本 JSOL公司和长野儿童医院将丰田公司虚拟人体模型(THUMS)的安全测试应用拓展到解决漏斗胸建模的医学挑战,漏斗胸是胸廓畸形的一种。

本项目使用 Simpleware 软件使用适合用于变换到 THUMS 的精细 FE 模型的 CT 数据,创建真实患者的胸部结构,为模拟术后肋软骨的生长提供了基础。


亮点

  • 丰田公司的高精细 THUMS FE 人体建模软件适用于医学图像数据和病理学研究
  • 使用 Simpleware 软件由 CT 数据生成模型
  • 基于图像模型和 THUMS 的图形变化提供了详尽的仿真资源
  • THUMS 创建的模型向未来的临床模拟提供更多选择

THUMS 的开发

THUMS 于 2000 年首次发布,是丰田汽车公司和丰田中央研发实验室合作研究项目的成果,也是世界上第一个用于重现和分析车辆碰撞过程中全身损伤的虚拟人体模型。由此产生的 THUMS 虚拟人体软件程序可适应不同的身体形态和环境,包含骨骼、大脑、内脏和肌肉。

图:THUMS中乘客模型的开发。

此外,THUMS 能够准确再现人体的形态和力量,同时也为重复不同碰撞模式的分析提供机会。因此在汽车行业,THUMS 能够在进行碰撞试验时显著减少开发时间和降低伦理风险。丰田公司从 2021 年 1 月开始无偿公开 THUMS 软件,旨在扩大其在汽车安全研究中的应用。SOL 公司和长野儿童医院为我们演示了如何将该模型应用到医学研究。

在漏斗胸研究中的应用

漏斗胸是胸前部的结构畸形,胸骨和胸腔形状异常,患者在出生或青春期胸部会出现塌陷或凹陷。手术干预中最常用的是 Nuss 微创手术,在凹陷的胸骨下植入弯曲的金属板,将胸骨支撑到正常位置,留置体内几年后取出。

在本研究中,JSOL 和长野儿童医院通过对一个 10 岁儿童的 THUMS 模型进行胸部变形处理,创建了重现患者骨骼形态和病理状态下的漏斗胸模型。然后他们利用热膨胀现象模仿术后肋软骨生长这种生理变化,从而模拟术后进展。

究人员参照患者的实际骨骼形态观察胸廓变形

漏斗胸模型的创建工作流程

首先通过 CT 扫描获取患者术后的胸部形态和特征,根据这些提取的特征改变 THUMS 模型的骨骼形态。采用热膨胀法模拟骨生长也考虑了不同状况。本研究针对两种胸部形态的类型,具体是 Nuss 手术后出现的过矫型和扁平型。

Simpleware 软件可以从 CT 图像中提取胸部的形状,并利用图像处理工具对不同解剖结构进行精确地建模。通过比较“正常的”胸部和由十岁儿童 THUMS 模型变形获得的患者数据,从图像数据中匹配过矫和扁平特征,比如肋软骨的角度。

图:利用Simpleware软件从CT图像中提取不同的胸廓形态

模拟热膨胀

在热膨胀模拟中,假设每个模型的肋间关节和肋软骨都是生长部位,并为它们赋予模拟的热膨胀条件。此外,为防止膨胀使骨骼增厚,研究人员将膨胀限制在肋骨的纵向。通过测量肋骨和肋软骨表面创建梁单元的长度,从而控制骨骼生长,还有一个预设长度用来阻止热膨胀的温度上升。

图:LS-DYNA中的胸部生长模拟

根据 10 例 10 至 15 岁无任何胸廓畸形患者的 CT 图像,测量肋软骨和肋骨的生长变化,并将由此估算的生长速度作为胸廓生长因子纳入模型。本研究采用 LS – DYNA 模拟不同病例的胸部生长结果。

结果

模拟结果展现出胸廓生长的差异和方式,与正常胸廓生长相比,扁平胸壁手术模型显示季肋部区域作为生长部位有异常凸起。在模拟过程中还发现了在实际生长中没有的肋间开口,但它并不是本次研究的关注点,重要的是肋软骨和肋间关节附近的生长。实际上,有许多不同的因素可能会影响胸部形态,如肋软骨的骨化和肋间肌的表现,还需要进一步的研究。

图:获得的骨骼生长结果。

结论

借助 Simpleware 软件从患者 CT 数据中提取形状特征,本研究能够通过变形在 THUMS 模型上重现形态。

这组模型为进一步验证生长模式如何与临床实践相符提供了基础,目的是利用新的模拟来协助预测漏斗胸治疗的远期疗效。总的来说,丰田的 THUMS 模型既适用于汽车开发的初衷,也为解决医疗领域的术前规划挑战提供了宝贵资源。

参考

  • 致谢和更多信息参见:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/thums.html

 
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