股骨頭骨折的生物力學(xué)有限元分析.pdf

1、目的:通過建立正常髖關(guān)節(jié)及股骨頭坐姿撞擊骨折骨缺損后的髖關(guān)節(jié)肌肉骨骼系統(tǒng)生物力學(xué)模型，并采用有限元分析法對髖關(guān)節(jié)應(yīng)力應(yīng)變及位移等進(jìn)行分析，以期對臨床治療方法的選擇提供一定的指導(dǎo)。 方法:采用第二代中國人“溫州男性第23號”髖部CT數(shù)據(jù)，掃描層厚1．25mm，將CT數(shù)據(jù)輸入Mimics10．0三維重建軟件，生成髖骨、股骨上端的三維實(shí)體模型。將骨性實(shí)體模型輸入Geomagics5．0逆向工程軟件，利用平移、旋轉(zhuǎn)、放縮等圖形編輯工具進(jìn)

2、行優(yōu)化。根據(jù)股骨頭骨折的最常見損傷機(jī)制汽車儀表盤損傷（Dash-board injury）來建立股骨頭骨折骨缺損的模型。在股骨頭與髖臼后壁接觸時，患肢前屈90°、內(nèi)收30°，前屈90°、內(nèi)收20°，前屈90°、內(nèi)收10°三個體位，作為股骨頭骨折截骨的界定平面，分別建立三種骨折狀態(tài)的股骨頭實(shí)體模型。最后，將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS11．0有限元分析軟件，建立各類髖關(guān)節(jié)肌肉骨骼系統(tǒng)分析模型。模擬雙足支撐平衡直立時，正常狀態(tài)下和三種骨折狀態(tài)下髖

3、關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力和位移的分布情況。正常狀態(tài)和三種骨折狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)模型約束及載荷如下：在骶髂關(guān)節(jié)處和恥骨結(jié)合部施加三向約束；在股骨下端施加大小為1/2體重，即65公斤/2，637牛頓/2的荷載。在此約束及載荷下應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS11．0計算正常狀態(tài)下和三種骨折狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力和位移的分布。 結(jié)果:正常狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)整體及接觸部位von Mises應(yīng)力與位移云圖分布示：髖關(guān)節(jié)整體最大von Mises應(yīng)力為4．407Mpa，

4、最大位移為0．547mm。股骨接觸部位最大von Mises應(yīng)力為0．548Mpa，最大位移為0．505mm。正常狀態(tài)下接觸部位的von Mises應(yīng)變云圖分布示：股骨接觸部位最大von Mises應(yīng)變?yōu)?．0143。第一種骨折狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)整體及接觸部位的von Mises應(yīng)力與位移云圖分布示：髖關(guān)節(jié)整體最大von Mises應(yīng)力為4．380Mpa，最大位移為0．670mm。股骨接觸部位最大von Mises應(yīng)力為0．553Mpa，最大

5、位移為0．622mm。第一種骨折狀態(tài)下接觸部位的von Mises應(yīng)變云圖分布示：股骨接觸部位最大von Mises應(yīng)變?yōu)?．0142。第二種骨折狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)整體及接觸部位的von Mises應(yīng)力與位移云圖分布示：髖關(guān)節(jié)整體最大von Mises應(yīng)力為4．097Mpa，最大位移為0．721mm。股骨接觸部位最大von Mises應(yīng)力為0．578Mpa，最大位移為0．656mm。第二種骨折狀態(tài)下接觸部位的von Mises應(yīng)變云圖分布示：

6、股骨接觸部位最大von Mises應(yīng)變?yōu)?．0152。第三種骨折狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)整體及接觸部位的von Mises應(yīng)力與位移云圖分布示：髖關(guān)節(jié)整體最大von Mises應(yīng)力為4．049Mpa，最大位移為0．776mm。股骨接觸部位最大von Mises應(yīng)力為0．601Mpa，最大位移為0．734mm。第三種骨折狀態(tài)下接觸部位的von Mises應(yīng)變云圖分布示：股骨接觸部位最大von Mises應(yīng)變?yōu)?．0155。 結(jié)論:第一種骨折狀