兩種股骨柄在骨缺損翻修中應(yīng)用的有限元分析研究.pdf

1、目的：比較帶脊錐形柄與廣泛涂層柱形柄行骨缺損翻修術(shù)后股骨應(yīng)力分布差異。
　　方法：1.對正常成年志愿者股骨行層厚0.6mmCT掃描，獲得正常成人股骨CT掃描的DICOM文件數(shù)據(jù)。將獲得的股骨DICOM文件數(shù)據(jù)導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件Mimics15.0軟件，經(jīng)分離、修整等處理，重建得到正常成人股骨骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)3D模型，將兩個(gè)模型分別輸出為.STL文件;2.將股骨骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)STL文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studi

2、o2013，清除由Mimics15.0軟件處理過程中產(chǎn)生的雜亂數(shù)據(jù)，經(jīng)多邊形階段創(chuàng)建曲面片、形狀處理階段曲面片擬合曲面，得到封閉且光滑的股骨骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)NURBS曲面模型，以.IGES文件輸出保存;3.將股骨骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)IGES文件導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks2015軟件中，最終得到股骨骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)實(shí)體模型。在三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks2015軟件中利用軟件的裝配功能將股骨骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)組裝成股骨實(shí)體模型;模擬人工髖

3、關(guān)節(jié)置換手術(shù)截除股骨頭、頸;根據(jù)Parprosky骨缺損分型，模擬建立ParproskyⅡA、ⅡB、ⅡC、ⅢA型四類股骨骨缺損實(shí)體模型，以.prt文件輸出保存;4.選取Echelon翻修柄（Simith&Nephew公司，美國）代表廣泛涂層柱形柄，Wagner SL翻修柄(Zimmer公司，美國)代表帶脊錐形柄，在三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks2015軟件中，根據(jù)兩種翻修柄設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制兩種型號規(guī)格的廣泛涂層柱形柄：15號微孔型直柄（

4、用于翻修ParproskyⅡA、ⅡB、ⅡC骨缺損模型）、15號微孔型直柄Plus（用于ParproskyⅢA骨缺損模型），繪制兩種型號規(guī)格的帶脊錐形柄：14號規(guī)格長190mm（用于翻修ParproskyⅡA、ⅡB、ⅡC骨缺損模型）、15號規(guī)格長225mm（用于ParproskyⅢA骨缺損模型）。繪制的股骨翻修柄實(shí)體模型以.prt文件輸出保存;5.根據(jù)骨缺損程度選擇相應(yīng)規(guī)格型號的股骨翻修柄，在三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks2015軟件中

5、，模擬人工髖關(guān)節(jié)股骨側(cè)翻修手術(shù)將兩種股骨翻修柄實(shí)體模型與四類不同程度股骨骨缺損實(shí)體模型裝配，共得到八個(gè)翻修手術(shù)實(shí)體模型，將模型分為錐形柄組和柱形柄組，將得到翻修手術(shù)實(shí)體模型以.x_t文件輸出保存;6.將得到的翻修手術(shù)實(shí)體模型.x_t文件導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench17.0進(jìn)行有限元分析，對骨質(zhì)、假體進(jìn)行材料賦值，利用網(wǎng)格劃分工具對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、采用髖關(guān)節(jié)簡化受力模型施加成人步態(tài)周期中關(guān)節(jié)承載處于峰值時(shí)刻的載荷，

6、各項(xiàng)步驟流程設(shè)置完善后進(jìn)行有限元分析求解，得到股骨Von Mises應(yīng)力值及股骨應(yīng)力分布云圖;7.在相同骨缺損條件下，于錐形柄組與柱形柄組股骨骨缺損區(qū)內(nèi)、外側(cè)分別隨機(jī)選取25點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力值，行組間對比t檢驗(yàn)，分析兩組骨缺損區(qū)應(yīng)力分布差異;分析錐形柄組與柱形柄組股骨應(yīng)力分布云圖;根據(jù)錐形柄組與柱形柄組股骨冠狀面內(nèi)、外側(cè)Von Mises應(yīng)力值繪制應(yīng)力-距離折線圖并進(jìn)行比較分析。
　　結(jié)果：1.股骨應(yīng)力分布云圖及應(yīng)力-距

7、離折線圖顯示各模型股骨內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力要高于前后側(cè)，股骨內(nèi)外側(cè)應(yīng)力從近端向遠(yuǎn)端逐漸增加，至股骨的遠(yuǎn)端達(dá)到應(yīng)力的高峰，錐形柄組模型應(yīng)力最高值約為91.3MPa，較柱形柄組模型應(yīng)力高約5.2MPa;2.相同骨缺損程度下，在骨缺損區(qū)，錐形柄組較柱形柄組有更高應(yīng)力分布，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05);3.相同骨缺損程度下，在股骨中上段，股骨應(yīng)力分布云圖顯示錐形柄組應(yīng)力分布均勻：色條呈舌樣并與其他色條融合漸變，柱形柄組應(yīng)力分布不均：色條呈寬大圓角矩

8、形并與其他色條融合漸變不明顯;折線圖也顯示錐形柄組在ParproskyⅡ型骨缺損(ⅡA、ⅡB、ⅡC)距截骨面0.0-10.5cm區(qū)域、ParproskyⅢA型骨缺損距截骨面0.0-15.5cm區(qū)域股骨應(yīng)力變化平緩，柱形柄組在此相應(yīng)區(qū)域應(yīng)力變化不平緩;4.相同骨缺損程度下，在假體涂層末端區(qū)域的股骨，折線圖顯示柱形柄組表現(xiàn)出應(yīng)力值變化劇烈、過渡不平緩，柱形柄組在Ⅱ型骨缺損距截骨面9.0-10.5cm的涂層末端區(qū)域股骨應(yīng)力增加值分別為：ⅡA：

9、25.0MPa、ⅡB：23.0MPa、ⅡC：20.0MPa，ⅢA型骨缺損距截骨面14-15.5cm的涂層末端區(qū)域股骨應(yīng)力增加值23.0MPa;錐形柄組涂層末端區(qū)域應(yīng)力變化過渡平緩，錐形柄組在Ⅱ型骨缺損距截骨面13.5-15.0cm的涂層末端區(qū)域應(yīng)力增加值分別為ⅡA：4.0MPa、ⅡB：2.0MPa、ⅡC：2.0MPa，ⅢA型骨缺損距截骨面17.0-18.5cm的涂層末端區(qū)域應(yīng)力增加值1.5MPa;股骨應(yīng)力分布云圖也顯示柱形柄組涂層末端區(qū)