前傾角改變對(duì)股骨頭應(yīng)力分布影響的三維有限元分析.pdf

1、目的：針對(duì)股骨頸骨折患者手術(shù)后股骨頸前傾角改變導(dǎo)致股骨頭壞死，本論文研究股骨頸骨折術(shù)后由于前傾角的改變對(duì)股骨頭應(yīng)力分布產(chǎn)生的影響，特別是研究造成股骨頭壞死的應(yīng)力升高，為預(yù)防骨壞死提供應(yīng)力分析的支持。 方法：（1）用16排CT對(duì)受試者全股骨進(jìn)行掃描獲取符合Dicom標(biāo)準(zhǔn)的斷層圖像二維數(shù)據(jù)，然后利用逆向工程方法并結(jié)合有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建股骨三維有限元模型，并對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)性能的驗(yàn)證。（2）編寫程序?qū)IP98應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)中的應(yīng)

2、力由德國(guó)Free University所設(shè)定的實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到本論文的股骨坐標(biāo)系。（3）計(jì)算股骨頭與髖臼的接觸區(qū)域的形狀及面積。（4）測(cè)量受試者股骨頸前傾角，并以測(cè)得的角度為依據(jù)建立5組模型，前傾角分別為-10°、0°、10°、20°、30°。（5）在以上5種前傾角狀態(tài)下，將從HIP98應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)提取并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的股骨受力加到股骨頭與髖臼接觸區(qū)域的所有節(jié)點(diǎn)上，然后計(jì)算股骨頭的應(yīng)力分布。（6）沿股骨頭冠狀位剖面定義三條路徑，以股骨頭表面

3、中心為起始點(diǎn)，分別延伸至股骨頸內(nèi)側(cè)、股骨頸外側(cè)及股骨頸中心區(qū)域，然后比較同一路徑下不同前傾角模型對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的大小，來分析前傾角改變對(duì)股骨頭應(yīng)力的影響。 結(jié)果：（1）基于全股骨CT斷層二維圖像重建的三維表面模型，其幾何外觀與真實(shí)骨結(jié)構(gòu)相符合。（2）將HIP98應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)得的股骨受力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到本論文應(yīng)用的股骨坐標(biāo)系，作為有限元分析的外部載荷更符合股骨真實(shí)的受力環(huán)境。（3）測(cè)量受試者股骨頸前傾角正常狀態(tài)為10°。（4）在受試者單

4、足站立位狀態(tài)，5組模型（前傾角分別為-10°、0°、10°、20°、30°）股骨頭內(nèi)部應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致，對(duì)應(yīng)5組模型的股骨頭深層區(qū)域最大應(yīng)力分別為2．4901 Mpa，2．3483Mpa，2．1951Mpa，2．3484Mpa，2．4769Mpa，大于相應(yīng)的淺表層的對(duì)應(yīng)應(yīng)力：1．6763Mpa，1．5761Mpa，1．5075Mpa，1．5739Mpa，1．6756Mpa。（5）在股骨頭靠近股骨頸內(nèi)側(cè)及股骨頸外側(cè)的部分存在兩個(gè)較高應(yīng)

5、力區(qū)域；當(dāng)前傾角從10°增加到30°以及從10°減小為-10°時(shí)，沿路徑相同節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力是逐漸增大的，且當(dāng)前傾角為-10°及30°時(shí)，最大應(yīng)力值最高，分別達(dá)到3．8907Mpa和3．8991Mpa。 結(jié)論：應(yīng)用股骨CT二維圖像可有效重建股骨有限元模型；成功將應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)HIP98中的股骨受力數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到本論文研究設(shè)定的股骨坐標(biāo)系，并計(jì)算股骨頭的應(yīng)力分布：在5組前傾角-10°、0v、10°、20°、30°下，當(dāng)前傾角保持正常態(tài)角度1