基于有限元方法分析股骨頸短縮對股骨近端生物力學(xué)的影響.pdf

1、目的：（1）運(yùn)用三維重建軟件建立不同股骨頸短縮程度的股骨近端模型，并通過有限元方法分析不同股骨頸短縮模型的生物力學(xué)變化；同時將股骨近端模型進(jìn)行實(shí)體3D打印并進(jìn)行力學(xué)破壞載荷試驗(yàn)，驗(yàn)證有限元分方法及結(jié)果的可靠性。（2）通過對正常成年男性的雙側(cè)股骨近端進(jìn)行有限元分析，證明正常人左右兩側(cè)股骨近端生物力學(xué)無差異。（3）利用有限元方法評價股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)后股骨頸短縮對股骨近端生物力學(xué)性能的影響。
　　方法：（1）收集1例正常成年男性股骨近

2、端CT掃描數(shù)據(jù)。運(yùn)用三維重建Mimics及相關(guān)模塊功能模擬建立無短縮組、短縮4mm組、短縮8mm組、短縮12mm組及短縮16mm組，每組5個共計25個股骨近端模型。利用有限元前處理軟件Simpleware對剛獲取的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及材料屬性賦值，然后導(dǎo)入有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行力學(xué)分析，得到不同股骨頸短縮模型的最大應(yīng)力、冠狀面最大位移、應(yīng)力集中區(qū)域單元數(shù)占整體模型的比例以及平均彈性模量。（2）收集7例正常成年男性的髖部CT掃描數(shù)據(jù)

3、，實(shí)驗(yàn)方法同上，獲取兩側(cè)股骨近端的最大及最小應(yīng)力、最大及最小應(yīng)變、冠狀面最大位移和平均彈性模量，采用配對樣本T檢驗(yàn)左右側(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否存在差異。（3）選取2012年1月至2014年1月期間在天津市天津醫(yī)院行空心螺釘內(nèi)固定治療的股骨頸骨折患者90例，按上述實(shí)驗(yàn)方法得到健側(cè)與患側(cè)的股骨近端有限元結(jié)果。通過分析比較性別、年齡、損傷側(cè)別及Garden分型等因素對股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)后發(fā)生股骨頸短縮的影響作用。同時對比分析健側(cè)和患側(cè)的最大應(yīng)力、最大應(yīng)

4、變、冠狀面最大位移及平均彈性模量。
　　結(jié)果：（1）原始長度模型組最大應(yīng)力值為（33.53±1.19）MPa，與短縮4mm、8mm和12mm組相比均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。原始長度模型組最大冠狀面位移為（0.93±0.07）mm，與其他各組相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。原始長度模型組應(yīng)力集中區(qū)域單元數(shù)占整個股骨近端模型比例為（0.52±0.02），與短縮4mm、8mm、12mm和16mm組相比均有顯著下降（P＜0.0

5、5）。原始長度組應(yīng)力集中區(qū)域的平均彈性模量為（777.86±16.70）MPa，并隨著短縮程度的加重逐漸增加，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。（2）7例健康成年男性左右兩側(cè)股骨頸長度差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；左右兩側(cè)最大微應(yīng)變、最小微應(yīng)變差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；左右兩側(cè)最大應(yīng)力值、最小應(yīng)力值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；左右兩側(cè)冠狀面最大位移差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；左右兩側(cè)平均彈性模量差異無統(tǒng)計學(xué)意

6、義（P＞0.05）。（3）90例股骨頸骨折患者中男性44例，女性46例；年齡18~82歲，平均（51.8±12.4）歲；右側(cè)38例，左側(cè)52例；GardenⅠ型21例，GardenⅡ型7例，GardenⅢ型29例，GardenⅣ型33例。以短縮＞2mm和短縮＜2mm分組進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)兩組在性別、損傷側(cè)別和Garden分型無顯著差異（P＞0.05），而在年齡上差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。隨著股骨頸短縮程度的加重，患側(cè)股骨近端最大應(yīng)力值

7、較健側(cè)升高，兩者差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；患側(cè)最大微應(yīng)變比健側(cè)大，兩者差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；患側(cè)冠狀面最大位移較健側(cè)下降，兩者差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；患側(cè)平均彈性模量與健側(cè)相比有所升高，但兩者差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。
　　結(jié)論：（1）隨著股骨頸長度減少，股骨近端的力學(xué)性能明顯改變。3D打印模型的實(shí)體力學(xué)測試結(jié)果證實(shí)有限元分析方法的可靠性。（2）股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)后發(fā)生股骨頸短縮與年齡相關(guān)，并