兩種髖臼前柱新型鎖定鋼板的設(shè)計及有限元分析.pdf

1、目的：
　　1、應(yīng)用逆向工程（RE）建立骨盆的“點云”數(shù)據(jù)庫。然后在該“點云”數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，應(yīng)用計算機輔助設(shè)計（CAD）設(shè)計與真骨盆緣和髂嵴至恥骨聯(lián)合表面貼合的兩種新型解剖鎖定鋼板，并設(shè)計螺釘?shù)奈恢眉胺较颉?、應(yīng)用計算機輔助工程（CAE）技術(shù)建立用兩種髖臼前柱鋼板固定橫行骨折的有限元模型及正常骨盆的有限元模型，然后進(jìn)行有限元分析，比較其固定的穩(wěn)定性。
　　方法：
　　1、創(chuàng)建骨盆的“點云”收集166例我院成人骨盆的正常

2、薄層CT數(shù)據(jù)，其中男90例，女76例，導(dǎo)入 Mimics14.11軟件進(jìn)行三維重建。分別測量男、女真骨盆緣的弧線長度AB，計算其均值，將它作為髖臼前柱長度的依據(jù)。找出與該平均值最接近的骨盆號數(shù)，以 Point Cloud的形式輸出，保存為TXT格式文件，即骨盆“點云”數(shù)據(jù)庫。
　　2、兩種髖臼前柱新型鋼板的設(shè)計將 TXT格式文件導(dǎo)入Imageware13.2進(jìn)行三角化重建。真骨盆緣前柱鋼板：始于恥骨聯(lián)合，終止于距骶髂關(guān)節(jié)0.5cm

3、處，內(nèi)側(cè)邊與真骨盆緣相切，外側(cè)邊距真骨盆緣10mm。應(yīng)用 Imageware13.2軟件在真骨盆緣表面虛擬出鋼板底面，并按照上述切割點切割鋼板底面，以0.5mm作為調(diào)節(jié)單位，調(diào)整調(diào)節(jié)點，使鋼板底面與真骨盆緣上表面相服帖。將鋼板底面導(dǎo)入UG8.5軟件，拉伸出厚度為2mm的鋼板，并對鋼板進(jìn)行等半徑0.3mm圓邊、等半徑2mm圓角處理，在鋼板上添加直徑為0.4cm的鎖定螺釘孔，男性鋼板為10孔，女性為11孔。將虛擬底面的 STL格式導(dǎo)入Mim

4、ics14.11與髖臼前柱組裝后后進(jìn)行模擬置釘，真骨盆緣前柱鋼板的螺釘方向：第一枚、第二枚螺釘與矢狀面平行，與冠狀面的前傾角以模擬置釘角度為準(zhǔn)；第三枚螺釘?shù)姆较蛞阅M置釘角度為準(zhǔn)；最后兩枚螺釘方向與冠狀面平行，與矢狀面的外傾角以模擬置釘角度為準(zhǔn)。按以上要求模擬置釘，我們得到螺釘兩端點（X1、Y1、Z1）、（X2、Y2、Z2）向量值，兩端點坐標(biāo)值相減得到螺釘向量（X、Y、Z）值，螺釘與矢狀面的外傾角為α=arctan(X/Z)；與冠狀面的

5、前傾角為β=arctan(Y/Z)。髂恥緣前柱鋼板：起始于恥骨聯(lián)合，止于髂前上棘后方的髂嵴，此處距髂前上棘3cm，鋼板外側(cè)邊距髂前下棘頂點1cm。其余方法同真骨盆緣前柱鋼板的設(shè)計方法，男女鋼板的長度均為12孔。髂恥緣前柱鋼板恥骨側(cè)第一、二、三枚螺釘方向與真骨盆緣鋼板的相同；第九、十、十一枚螺釘與矢狀面外傾角分別為30°、40°、50°，與冠狀面的前傾角以模擬置釘角度為準(zhǔn)。其余螺釘方向與鋼板垂直。
　　3、有限元分析采用Mimics

6、14.11軟件對重建骨盆進(jìn)行處理，獲得表面更為平滑的骨盆模型。將其導(dǎo)入Geomagic Studio12進(jìn)行處理，獲得更完整的骨盆網(wǎng)格體模型，以 IGS格式保存。將骨盆幾何模型、真骨盆緣鋼板幾何模型、髂恥緣鋼板幾何模型導(dǎo)入 Solidwork2012軟件，分別裝配兩種不同的髖臼前柱鋼板固定髖臼橫行骨折的模型，然后將兩種不同內(nèi)固定模型導(dǎo)入Hypermesh12.0，完成模型體網(wǎng)格劃分，并對正常骨盆完成骨盆模型體網(wǎng)格劃分，保存為Inp格式文

7、件。將上述三種Inp文件導(dǎo)入Abaqus6.13軟件，對骨盆、鋼板螺釘分別賦予材質(zhì)，設(shè)定螺釘與骨質(zhì)之間為綁定關(guān)系。做以下靜力分析：（1）人體骨盆垂直方向靜力分析：對髖臼窩部施加固定約束，限制6個自由度的活動，分別在不同類型髖臼前柱鋼板固定模型和正常骨盆模型的骶1椎體上表面上施加400N軸向壓縮載荷。（2）人體骨盆前后方向靜力分析：對骶骨后部施加固定約束，限制6個自由度的活動，分別在不同類型髖臼前柱鋼板固定模型和正常骨盆模型的恥骨聯(lián)合前表

8、面上施加400N軸向壓縮載荷。（3）人體骨盆側(cè)方靜力分析：對右側(cè)髖臼窩施加固定約束，限制6個自由度的活動，分別在不同類型髖臼前柱鋼板固定模型和正常骨盆模型的左側(cè)髂骨外側(cè)緣表面施加400N軸向壓縮載荷。分析不同內(nèi)固定方式和正常骨盆模型在三種載荷加載情況下的 von Mises應(yīng)變分布和位移分布。
　　結(jié)果：
　　1、我們測量166例成人正常重建骨盆三維重建標(biāo)本的真骨盆緣長度發(fā)現(xiàn)男、女真骨盆緣 AB的值分別為(128.14±7.

9、31)mm、(140.53±8.15)mm,其差異有顯著意義（P<0.01）。將骨盆的三維重建模型以Point Cloud輸出，保存為TXT文件格式，即為男、女骨盆“點云”數(shù)據(jù)庫。
　　2、將男、女骨盆“點云”數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入 mageware13.2軟件進(jìn)行三角形網(wǎng)格化重建，并按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)虛擬出鋼板底面，調(diào)整調(diào)節(jié)點使鋼板底面與髖臼前柱前表面解剖特征相服帖，將鋼板底面導(dǎo)入 UG8.5軟件拉伸出厚度為2mm的鋼板，并添加0.3mm的圓邊和

10、2mm的圓角特征。真骨盆緣前柱鋼板：始于恥骨聯(lián)合，終止于距骶髂關(guān)節(jié)5mm處，鋼板內(nèi)側(cè)邊與真骨盆緣相切，外側(cè)邊距真骨盆緣10mm，得到的男性真骨盆緣前柱鋼板長度為120mm、女性為132mm。髂恥緣前柱鋼板：起始于恥骨聯(lián)合，止于髂前上棘后方30mm處的髂嵴，鋼板外側(cè)邊距髂前下棘頂點10mm，得到男、女長均144mm的髂恥緣前柱鋼板。按照孔特征的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，男、女真骨盆緣鋼板孔數(shù)量分別為10、11，男女髂恥緣鋼板孔數(shù)量均為12。真骨盆緣鋼板螺

11、釘方向的設(shè)計：恥骨聯(lián)合端第一枚螺釘與矢狀面的角度為0°，冠狀面上前傾25°；第二枚螺釘與矢狀面的角度為0°，冠狀面前傾30°；第三枚螺釘與矢狀面的內(nèi)傾角為20°，冠狀面前傾40°；距骶髂關(guān)節(jié)第一枚螺釘與矢狀面外傾20°，冠狀面前傾0°，距骶髂關(guān)節(jié)第二枚螺釘與矢狀面外傾25°，冠狀面前傾0°，其余螺釘方向垂直于鋼板。髂恥緣鋼板螺釘方向的設(shè)計：恥骨聯(lián)合端前三枚螺釘方向與真骨盆緣相同，髂骨端第11、10、9枚螺釘與矢狀面外傾角分別為50°、4

12、0°、30°，與冠狀面的前傾角分別為10°、10°、15°。
　　3、成功構(gòu)建兩種類型的髖臼前柱解剖鎖定鋼板固定髖臼橫形骨折的有限元分析模型和正常骨盆的有限元分析模型。
　　4、骨盆垂直方向靜力分析得到髖臼橫行骨折兩種內(nèi)固定的 von Mises應(yīng)變、位移分布云圖。真骨盆緣鋼板固定模型：最大位移為：0.440mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：14.92MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：98.64MPa。髂恥緣鋼板固定模型：最大位移為：0.

13、327mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：7.64MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：86.71MPa。
　　骨盆前后方靜力分析得到髖臼橫行骨折兩種不同固定方式的 von Mises應(yīng)變、位移分布云圖，真骨盆緣鋼板固定模型：最大位移為：0.587mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：19.38MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：158.00MPa。髂恥緣鋼板固定模型：最大位移為：0.610mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：21.28MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：167.50MP

14、a。
　　骨盆側(cè)方靜力分析得到兩種髖臼橫行骨折內(nèi)固定方式的 von Mises應(yīng)變、位移分布云圖，真骨盆緣鋼板固定模型：最大位移為：0.973mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：28.45MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：34.35MPa。髂恥緣鋼板固定模型：最大位移為：0.799mm，骨盆受到最大應(yīng)力為：20.74MPa，鋼板受到最大應(yīng)力為：43.28MPa。
　　正常骨盆的垂直方向、前后方向和側(cè)方 von Mises應(yīng)變、位移分布云圖，