髖臼后柱骨折經(jīng)皮拉力螺釘固定的數(shù)字化模擬與有限元分析.pdf

1、作為治療髖臼骨折的金標準,切開復位內(nèi)固定的缺點正不斷引起更多創(chuàng)傷科醫(yī)生的重視,促使創(chuàng)傷科醫(yī)生不斷探索新的能夠替代或部分替代切開復位內(nèi)固定的治療方法。微創(chuàng)經(jīng)皮拉力螺釘內(nèi)固定是近年來興起的新技術,并被廣泛的應用于髖臼前柱骨折的治療當中,技術已經(jīng)相當成熟,與傳統(tǒng)的切開復位鋼板螺釘內(nèi)固定相比,經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定具有創(chuàng)傷小、出血量少、暴露范圍小、經(jīng)皮手術時間短,固定確切等優(yōu)點。避免損傷周圍的軟組織,有利于骨折愈合;固定確切可靠,有利于早期功能鍛煉;并

2、發(fā)癥少。術中C形臂X線機透視導航已經(jīng)成為了一種比較成熟的輔助手術技術,而更先進的三維實時導航技術已經(jīng)起步并正在不斷普及當中,置入物的位置及走行可控性不斷提高,手術全程可控,手術的精確性得到了質(zhì)的飛躍。微創(chuàng)化、精確化是未來骨科手術的發(fā)展趨勢,也是骨科醫(yī)生目前正不斷追求的目標。經(jīng)皮拉力螺釘內(nèi)固定治療髖臼骨折是骨科微創(chuàng)治療的重要組成部分。然而,由于髖臼骨折的復雜性、手術適應癥的不明確等因素,部分醫(yī)生對該技術的應用仍保持謹慎態(tài)度。該技術雖然以有

3、應用于后柱骨折及部分橫行骨折的嘗試,但樣本量及其有限,推廣速度有待提高。髖關節(jié)的載荷分布是對關節(jié)疾病的發(fā)生、發(fā)展起著至關重要的作用,骨關節(jié)炎的發(fā)生即是關節(jié)異常力學機制所導致的后果。了解髖關節(jié)及其治療,除要求對其正常情況下的力學特點了解外,還應了解其在不同治療方案下的力學特點。本研究通過對經(jīng)皮拉力螺釘內(nèi)固定技術治療髖臼后柱骨折的過程進行三維模擬,并進行三維有限元模型構建,設定模型的彈性模量及泊松比,進行髖臼后柱骨折拉力螺釘固定的力學研究。

4、
　　研究目的
　　1.構建髖臼后柱骨折經(jīng)皮拉力螺釘固定的有限元模型,并進行求解。
　　2.利用虛擬手術技術驗證經(jīng)皮拉力螺釘治療髖臼后柱骨折骨折在解剖學上的可行性。為臨床應用提供解剖學支持。
　　3.探討經(jīng)皮拉力螺釘單獨固定能否維持傷髖復位的穩(wěn)定性,驗證其獨立治療髖臼后柱骨折在生物力學方面的可行性。
　　4.觀察經(jīng)皮拉力螺釘單獨固定髖臼后柱骨折在不同載荷下的位移情況、應力分布及應變情況等生物力學效應,為臨床

5、決策提供生物力學方面的依據(jù)。
　　研究方法
　　1數(shù)據(jù)準備及髖臼幾何模型的構建
　　隨機選取一名健康成年志愿者,對其行CT掃描,將掃面結(jié)果以DICOM格式保存并刻錄光盤。將數(shù)據(jù)導入Mimics10.01軟件,經(jīng)閾值劃分、區(qū)域增長、計算蒙板三維結(jié)構等步驟,完成右側(cè)完整髖骨的幾何模型構建。
　　2模擬髖臼后柱骨折
　　在mimics軟件的模擬模塊,標記骨折線后,沿骨折線切割形成骨折模型。
　　3虛擬螺釘置

6、入髖臼后柱
　　定義髂前上棘、髂后上棘最突點連線的中點為C點;定義坐骨結(jié)節(jié)中部縱嵴與坐骨結(jié)節(jié)內(nèi)側(cè)緣連線的中點為O點,連接OC兩點,以OC為軸創(chuàng)建圓柱體,該圓柱體即為拉力螺釘模型。調(diào)整圓柱體直徑,確保圓柱體不突出于骨皮質(zhì),同時不小于6.5mm。對表面的毛刺、空洞進行包裹、順滑處理。
　　4有限元前處理
　　4.1網(wǎng)格劃分
　　在mimics軟件有限元分析模塊,轉(zhuǎn)入3-mitic,進行縮減程序,減少三角面片的數(shù)量,保

7、持質(zhì)量,進行自動網(wǎng)格劃分處理,終形成體網(wǎng)格數(shù)據(jù)。將體網(wǎng)格數(shù)據(jù)以.inp格式導出mimics軟件,導入hypermesh軟件。
　　4.2網(wǎng)格處理
　　在hypermesh軟件的tetramesh板塊,檢查網(wǎng)格質(zhì)量并改進網(wǎng)格質(zhì)量,生成可用的網(wǎng)格模型。
　　4.3設置單元屬性
　　將模型分配為三個組件:皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、釘子,皮質(zhì)骨厚度取1.4mm。設置單元屬性及單元類別:皮質(zhì)骨為殼單元,單元類型為 S3;松質(zhì)骨和螺釘

8、為實體單元,單元類型為一階四面體單元。賦材質(zhì):皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、釘子的彈性模量分別為17GPa、800MPa、11GPa,泊松比分別為0.3、0.2、0.28。假設本實驗所涉及的生物材料的力學特性均為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料,受力時模型各截面不產(chǎn)生相互滑動,各單元有足夠的穩(wěn)定性,材料受力變形為小變形。
　　4.4設置邊界條件
　　約束骶髂關節(jié)和恥骨聯(lián)合部位,模擬頭臼作用力,載荷大小分別為300牛、600牛(一倍體重)、

9、1200牛、2400牛、3600牛、4800牛、6000牛(十倍體重)。有限元模型構建完成。
　　5有限元求解
　　將有限元模型以.inp格式導出hypermesh軟件,導入abaqus軟件,修改載荷步命令。建立求解命令,對.inp文件進行求解。
　　6有限元后處理
　　求解完畢后,以.odb格式文件導出abaqus軟件,導入hyperview軟件,查看結(jié)果。
　　結(jié)果
　　1模型構建
　　基于

10、CT數(shù)據(jù)構建的幾何實體模型為右側(cè)髖骨三維模型,模型形態(tài)逼真,能夠完整的展現(xiàn)正常髖骨的解剖形態(tài)。經(jīng)三維切割形成的骨折模型復位可,骨折線位置欠佳。拉力螺釘模型直徑6.5mm,兩端突出于進針點外,兩進針點之間的部分完全走行于髖臼后柱內(nèi),未見突出于骨皮質(zhì)。
　　幾何模型經(jīng)mimics軟件有限元預處理模塊網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格優(yōu)化后,在abaqus軟件中不能生成可用的有限元模型,無法進行后續(xù)的分析求解。經(jīng)hypermesh軟件優(yōu)化網(wǎng)格以后生成了可用

11、的有限元模型。可用的有限元模型含199279個單元,36529個節(jié)點,2種單元類型,分別為殼單元和一階四面體單元,3中材料屬性,分別為皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和螺釘。模型網(wǎng)格整齊,整體分布合理,三角片分布均勻,大小相似,疏密得當,無畸形三角片,全部質(zhì)量檢測合格,模型能從力學上代表實物。
　　2有限元模型求解
　　本實驗嘗試對髖臼后柱骨折拉力螺釘固定的模型進行受力分析,鎖定骶髂關節(jié)和恥骨聯(lián)合,模擬成人站立位時頭臼之間的作用力對模型進行加

12、載,載荷大小設定為1/2體重(300牛)、1倍體重(600牛)、2倍體重(1200牛)、4倍體重(2400牛)、6倍體重(3600牛)、8倍體重(4800牛)、10倍體重(6000牛)。求解后發(fā)現(xiàn):從上到下,位移量逐漸增大,最大位移位于坐骨支,最小位移位最上端,螺釘?shù)淖畲笪灰莆挥谧钕露?最小位移位于最上端。主應變集中于髖臼前下壁,螺釘應變集中于后柱段以及跨越骨折線的部位。主應力集中在髖臼前下壁、恥骨上支、螺釘跨越骨折線的部位,螺釘應力集