髖臼四邊區(qū)骨折新型鋼板的設(shè)計(jì)及有限元分析.pdf

1、目的：
　　1、應(yīng)用逆向技術(shù)(Reverse Engineering,RE)獲取髖臼前柱及四邊區(qū)表面的點(diǎn)云（pointcloud）數(shù)據(jù)。2、利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD-Computer Aided Design)設(shè)計(jì)貼合髖臼前柱及四邊區(qū)表面結(jié)構(gòu)的新型鋼板（簡(jiǎn)稱四邊區(qū)鋼板），同時(shí)設(shè)計(jì)螺孔的位置及類(lèi)型。3、應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)（Computer Aided Engineering，CAE）創(chuàng)建四邊區(qū)鋼板、真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)壁重建

2、鋼板以及髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)壁重建鋼板固定累及四邊區(qū)的前柱伴后柱橫行骨折的有限元模型，然后進(jìn)行有限元分析，比較其固定的穩(wěn)定性。
　　方法：
　　髖臼四邊區(qū)及前柱點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取從重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院影像科獲取100例64排螺旋CT（SIMENS公司）掃描的成人完整骨盆CT數(shù)據(jù)，男女各50例，年齡為18歲至69歲，排除骨盆髖臼骨折、腫瘤等病變。導(dǎo)入 Mimics15.0軟件進(jìn)行三維重建。分段測(cè)量男女骨盆骶髂關(guān)節(jié)真骨盆邊緣點(diǎn)A

3、至恥骨結(jié)節(jié)頂點(diǎn)B的弧長(zhǎng)AB值，計(jì)算男、女AB均值，并選出AB值與均值接近的骨盆男女各一個(gè)，將其轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云文件，即獲得髖臼四邊區(qū)及前柱的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
　　髖臼四邊區(qū)骨折新型鋼板的設(shè)計(jì)髖臼前柱及四邊區(qū)的點(diǎn)云文件導(dǎo)入 Imageware14.0軟件進(jìn)行點(diǎn)云三角形網(wǎng)格化處理。四邊區(qū)鋼板分為三部分：（1）真骨盆緣部分：始于骶髂關(guān)節(jié)，終止于恥骨結(jié)節(jié)，內(nèi)側(cè)緣與真骨盆緣保持一致，鋼板寬度為10mm。（2）髖臼前壁部分：鋼板的真骨盆緣部分在髂前下棘與

4、髖臼前壁交界位置向前側(cè)延伸，覆蓋髖臼前壁。（3）四邊區(qū)部分：由兩個(gè)四邊區(qū)擋板組成，前擋板靠近四邊區(qū)前緣，長(zhǎng)度約為四邊區(qū)前緣1/2；后擋板靠近四邊區(qū)后緣，長(zhǎng)度約為四邊區(qū)后緣1/2。前、后擋板寬度均為10mm。應(yīng)用 Imageware14.0軟件在骨盆表面相應(yīng)位置虛擬出上述鋼板底面形態(tài)，以0.4mm為微調(diào)步距調(diào)節(jié)控制點(diǎn)，使鋼板底面與前柱及四邊區(qū)的形態(tài)盡量貼合。將調(diào)整完畢的鋼板底面以IGS格式導(dǎo)入U(xiǎn)G9.0軟件中，將其拉厚為2mm，并對(duì)其添加

5、等半徑0.3mm圓邊、等半徑2mm圓角以及預(yù)彎槽特征。依次在鋼板的三個(gè)部分添加螺孔：（1）在鋼板真骨盆緣部分添加長(zhǎng)徑為6mm，短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔，螺孔方向垂直于鋼板平面；（2）在鋼板髖臼前壁部分添加直徑為2.7mm的圓形鎖定螺釘孔，螺孔方向垂直于鋼板平面；（3）在鋼板四邊區(qū)部分添加長(zhǎng)徑為6mm，短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔，螺孔方向垂直于鋼板平面。
　　鋼板的有限元分析選取一例骨質(zhì)平滑、無(wú)缺損的正常骨盆CT薄層數(shù)據(jù)導(dǎo)

6、入Mimics15.0軟件中，三維重建后依次對(duì)其進(jìn)行平滑化、減少三角面、包繞處理，使骨盆模型更加平滑。將處理好的骨盆模型導(dǎo)入Geomagic Studio12軟件建立有限元分析模型，經(jīng)過(guò)點(diǎn)、面、多邊形以及包裹等處理，獲得用于有限元分析的骨盆模型，以IGS格式文件保存后導(dǎo)入Hypermesh12.0軟件，人為制造累及四邊區(qū)的髖臼前柱伴后柱橫行骨折。將造好骨折的骨盆模型、四邊區(qū)鋼板模型、真骨盆緣鋼板模型、髂恥緣鋼板模型、真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板模

7、型以IGS格式導(dǎo)入SolidWorks2015軟件中，按照各種鋼板相應(yīng)的內(nèi)固定方式分別裝配在骨盆模型上得到四邊區(qū)鋼板固定模型、真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型以及髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型，將三種固定模型再次導(dǎo)入Hypermesh12.0軟件，進(jìn)行模型體的網(wǎng)格劃分，以Inp格式文件保存。將上述模型導(dǎo)入Abaqus6.14軟件中，分別對(duì)鋼板、螺釘及骨盆賦予材質(zhì)，將螺釘與骨質(zhì)之間設(shè)為綁定連接關(guān)系。（1）人體骨盆垂直方向靜

8、力分析：固定約束髖臼窩部以限制六個(gè)自由度的活動(dòng)，分別在三種固定髖臼骨折模型的骶1椎體上表面施以400N軸向壓縮載荷。（2）人體骨盆前后方向靜力分析：對(duì)骶骨后部施加固定約束，限制6個(gè)自由度的活動(dòng)，分別在三種鋼板固定髖臼骨折模型的恥骨聯(lián)合前表面上施加400N軸向壓縮載荷。（3）人體骨盆側(cè)方靜力分析：對(duì)右側(cè)髖臼窩施加固定約束，限制6個(gè)自由度的活動(dòng)，分別在三種鋼板固定髖臼骨折模型的左側(cè)髂骨外側(cè)緣表面施加400N軸向壓縮載荷。分析不同內(nèi)固定方式在

9、三種載荷加載情況下的 von Mises應(yīng)力分布和位移分布。
　　結(jié)果：
　　1.我們對(duì)100例正常成人骨盆模型測(cè)量后，得到了骨盆骶髂關(guān)節(jié)真骨盆邊緣點(diǎn)A至恥骨結(jié)節(jié)頂點(diǎn)B的弧長(zhǎng)AB值男性為（117.23±6.36）mm，女性為（126.39±9.05）mm，其差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。將選取的男女各一例骨盆模型保存為點(diǎn)云文件，即獲得即獲得髖臼前柱及四邊區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　2.將選取的兩例骨盆模型的點(diǎn)云文件導(dǎo)入i

10、mageware14.0軟件進(jìn)行點(diǎn)云三角形網(wǎng)格化處理，并在骨盆表面相應(yīng)位置虛擬出鋼板形態(tài)，調(diào)節(jié)控制點(diǎn)，使其盡量與骨盆表面解剖形態(tài)服帖，然后將其導(dǎo)入U(xiǎn)G9.0軟件中拉厚至2mm，并對(duì)其添加等半徑0.3mm圓邊、等半徑2mm圓角以及預(yù)彎槽等特征。四邊區(qū)鋼板分為三部分：（1）真骨盆緣部分：男性長(zhǎng)度為119mm，女性為124mm，始于骶髂關(guān)節(jié)，終止于恥骨結(jié)節(jié)，內(nèi)側(cè)緣與真骨盆緣保持一致，鋼板寬度為10mm。（2）髖臼前壁部分：鋼板的真骨盆緣部分在

11、髂前下棘與髖臼前壁交界位置向前側(cè)延伸，覆蓋髖臼前壁。（3）四邊區(qū)部分：由兩個(gè)四邊區(qū)擋板組成，前擋板靠近四邊區(qū)前緣，男性長(zhǎng)度為47mm，女性為40mm；后擋板靠近四邊區(qū)后緣，男性長(zhǎng)度為50mm，女性為45mm。前后擋板寬度均為10mm。依次在鋼板的三個(gè)部分添加螺孔：（1）在鋼板真骨盆緣部分添加長(zhǎng)徑為6mm，短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔，男性為10孔，女性為9孔，螺孔方向垂直于鋼板平面；（2）在鋼板髖臼前壁部分添加直徑為2.7mm的圓形鎖

12、定螺釘孔，男性為9孔，女性為7孔，螺孔方向垂直于鋼板平面；（3）在鋼板四邊區(qū)部分添加長(zhǎng)徑為6mm，短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔，男、女前擋板均為3孔，男性后擋板為4孔，女性為3孔,螺孔方向垂直于鋼板平面。
　　3.成功構(gòu)建三組鋼板固定累及四邊區(qū)的髖臼骨折的有限元分析模型。對(duì)髖臼三種內(nèi)固定方式進(jìn)行垂直方向靜力分析得到其von Mises應(yīng)力、位移分布云圖，四邊區(qū)鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.1mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：14.

13、8MPa，四邊區(qū)鋼板受到最大應(yīng)力為：88MPa。真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.11mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：19.4MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：37.6MPa。髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.19mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：11.5MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：98.9MPa。
　　對(duì)髖臼三種內(nèi)固定方式進(jìn)行前后方向靜力分析得到其von Mises應(yīng)變、位移分布云圖。四邊區(qū)

14、鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.16mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：15.8MPa，四邊區(qū)鋼板受到最大應(yīng)力為：101MPa。真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.15mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：28.8MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：93.8MPa。髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.23mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：12.2MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：107MPa。
　　對(duì)髖臼三種內(nèi)固定方

15、式進(jìn)行側(cè)方靜力分析得到其von Mises應(yīng)變、位移分布云圖。（1）四邊區(qū)鋼板固定模型：模型的最大位移為：3.3mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：149.5MPa，四邊區(qū)鋼板受到最大應(yīng)力為：349.3MPa。（2）真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：2.24mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：162.4MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：335.7MPa。（3）髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：4.2mm，骨盆受到

16、最大應(yīng)力為：126.1MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：558.1MPa。
　　結(jié)論1.應(yīng)用逆向技術(shù)(Reverse Engineering,RE)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD-Computer Aided Design)成功獲得骨盆的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出髖臼四邊區(qū)骨折新型鋼板。2.四邊區(qū)鋼板固定四邊區(qū)骨折的效果在垂直載荷下優(yōu)于其他兩組鋼板組合，而在前后方向及側(cè)方載荷下效果居中，但均能達(dá)到良好的固定效果。3.四邊區(qū)鋼板適用于前柱、前