接触圧分布の解析のための足関節の患者固有の数値モデル

A patient-specific numerical model of the ankle joint for the analysis of contact pressure distribution.

• Laxmi Muralidharan
• Philip Cardiff
• Karen Fitzgerald
• Robert Flavin
• Alojz Ivanković

抄録

オープンソースのソフトウェアを使用して、歩行サイクルの立脚時の足の生理的な動きを模倣したリアルな材料特性を持つ足関節の患者固有の数値モデルを開発しました。先天性または後天性の病理を持たない被験者のCTスキャン画像から、3DSlicerを用いて患者固有の足関節形状をキャステレーションサーフェスとしてセグメント化し、その後、骨を平滑化し、軟骨を均一な厚さの押し出し層として含めました。cfMeshを用いて高解像度の直交メッシュを生成した。材料特性は、CT画像のハウンズフィールド強度に基づいてモデル内で割り当てられ、サンドイッチベースの材料モデルと比較される。同じ被験者の歩行データを取得し、モデル内で脛骨、距骨、踵骨を相対的に配置するために使用した。歩行サイクルの立脚相は、オープンソースソフトウェアOpenFOAMで実装されたセル中心有限体積法を用いてシミュレーションしました。予測された接触圧のピークは4.85～5.53MPaの範囲で、平均圧は1.56～1.95MPaの範囲であり、接触面積は立脚相全体で429～707.8mmの範囲であり、立脚相の中間段階で最大の接触面積が予測されました。これらの予測は文献の結果と一致しています。足関節の接触特性に対する関節炎の影響も調査されました。圧力の集中的な上昇は痛みとして現れ、それによって足関節の動きの低下につながることが予測された。このモデルは継続的に開発され、関節の劣化の影響を理解する能力を持ち、さらに、次世代の人工足関節の開発を導くだけでなく、治療的な外科的処置の効率を予測するためのツールを提供するのに役立つ可能性があります。本研究は、論文が発表された後、ユニバーシティ・カレッジ・ダブリンのリポジトリ( https://github.com/laxmimurali/anklejoint )やリサーチゲートで公開される予定です。

A patient-specific numerical model of the ankle joint has been developed using open-source software with realistic material properties that mimics the physiological movement of the foot during the stance phase of the gait cycle. The patient-specific ankle geometry has been segmented as a castellated surface using 3DSlicer from the computed tomography image scans of a subject with no congenital or acquired pathology; subsequently, the bones are smoothed, and cartilage is included as a uniform thickness extruded layer. A high-resolution Cartesian mesh has been generated using cfMesh. The material properties are assigned in the model based on the CT image Hounsfield intensities and compared to a sandwich-based material model. Gait data of the same subject was obtained and used to relatively position the tibia, talus, and calcaneus bones in the model. The stance phase of the gait cycle is simulated using a cell-centred finite-volume method implemented in open-source software OpenFOAM. The predicted peak contact pressures occur in the range of 4.85-5.53 MPa with average pressures in the range of 1.56-1.95 MPa, and the contact area ranges between 429 and 707.8 mm for the entire stance phase with the mid-stance phase predicting the maximum contact area. These predictions are in agreement with results from the literature. The effect of arthritis on the contact characteristics of the ankle joint has also been examined. A concentrated increase in pressure was predicted that could be manifested as pain, thereby leading to reduced motion in the ankle. The model, with continued development, has the capability to understand the effect of joint degradation and furthermore, could help provide a tool to predict the efficiency of therapeutic surgical procedures as well as guide the development of next generation ankle prostheses. The work would be made available in the University College Dublin depository ( https://github.com/laxmimurali/anklejoint ) as well as research gate once the article has been published.