股骨近段骨缺損的三維有限元模型的建立及相關(guān)生物力學(xué)研究.pdf

1、目的：利用三維有限元分析法研究股骨近段在慢步行走步態(tài)周期承載處于峰值時(shí)刻的應(yīng)力和應(yīng)變，同時(shí)建立股骨近段不同缺損有限元模型，進(jìn)一步分析此狀態(tài)下的局部應(yīng)力與應(yīng)變變化，得到缺損大小、部位與股骨近段應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，提出慢步行走步態(tài)周期中可能出現(xiàn)骨折的臨界范圍。 方法：利用螺旋CT掃描正常成人的股骨全長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)測(cè)量和建立股骨全長(zhǎng)的有限元模型，模擬股骨近段小轉(zhuǎn)子區(qū)、轉(zhuǎn)子問(wèn)區(qū)的單側(cè)皮質(zhì)圓柱形骨缺損和股骨頸髓腔的球形骨缺損。缺損大小按股骨近段相

2、應(yīng)橫截面計(jì)算，單皮質(zhì)缺損設(shè)為5％～25％，髓腔內(nèi)缺損設(shè)為15％～50％，間隔均為5％。按體重為70公斤的成人慢步行走時(shí)股骨近段最大載荷進(jìn)行加載，分析股骨近段每增加5％骨缺損后缺損部位的應(yīng)力變化情況。 結(jié)果： 1．對(duì)于小轉(zhuǎn)子中點(diǎn)水平的股骨近段外側(cè)單皮質(zhì)缺損，當(dāng)缺損為5％時(shí)，局部最大應(yīng)力96.74MPa，略高于股骨屈服應(yīng)力93MPa，小于拉伸極限應(yīng)力117MPa；缺損10％時(shí)局部最大應(yīng)力為142.34MPa，大于縱向拉伸極限

3、應(yīng)力。缺損從5％到 25％，股骨內(nèi)側(cè)相對(duì)應(yīng)區(qū)域最大應(yīng)力為46.15MPa～62.13MPa，遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力。 2．轉(zhuǎn)子間水平的股骨近段外側(cè)單皮質(zhì)缺損，當(dāng)缺損為20％時(shí)局部最大應(yīng)力72.26MPa小于屈服應(yīng)力93MPa，25％時(shí)最大應(yīng)力達(dá)127.11MPa，大于拉伸極限應(yīng)力117MPa。 股骨內(nèi)側(cè)應(yīng)力改變同小轉(zhuǎn)子缺損。 3.股骨頸內(nèi)側(cè)皮質(zhì)完整的髓腔缺損，缺損小于40％時(shí)，局部應(yīng)力均小于股骨屈服應(yīng)力93MPa，缺損

4、45％時(shí)局部最大應(yīng)力為100.20MPa，略高于屈服應(yīng)力93MPa，小于壓縮極限應(yīng)力141MPa；在缺損50％時(shí)局部最大應(yīng)力為119.40MPa未超過(guò)壓縮極限應(yīng)力。 4.股骨頸破壞內(nèi)側(cè)皮質(zhì)1/2的髓腔內(nèi)缺損為20％時(shí)，局部最大應(yīng)力86.75MPa小于屈服應(yīng)力93MPa；缺損為25％時(shí)，局部最大應(yīng)力為106.64MPa，大于屈服應(yīng)力，小于壓縮極限應(yīng)力141MPa：缺損為40％時(shí)最大應(yīng)力128.8MPa，接近壓縮極限應(yīng)力；缺損45％局部應(yīng)

5、力高達(dá)277.10MPa遠(yuǎn)高于股骨的極限應(yīng)力。 結(jié)論： 1.對(duì)于股骨近段，隨著骨缺損大小的增加其局部相應(yīng)的最大應(yīng)力逐漸增加，不同部位應(yīng)力增加的程度不同。同樣大小的骨皮質(zhì)缺損對(duì)股骨近段造成的影響不同。 2.股骨近段外側(cè)皮質(zhì)缺損，對(duì)相應(yīng)的股骨內(nèi)側(cè)影響不大，也就是對(duì)整個(gè)股骨的負(fù)重影響不大。 3.對(duì)于小轉(zhuǎn)子水平股骨外側(cè)單皮質(zhì)缺損，當(dāng)缺損小于5％相對(duì)安全，5％到10％之間存在一定的局部骨折風(fēng)險(xiǎn)，大于10％時(shí)將會(huì)出現(xiàn)