不穩(wěn)定粗隆間骨折三種內(nèi)固定方式的三維有限元模型的建立及應(yīng)力分析.pdf

1、目的：股骨粗隆間骨折(intertrochanteric femoral fractures，IFF)隨著老年人數(shù)的增加，發(fā)生率逐年增高，已成為社會重大問題。目前，手術(shù)治療已成為治療粗隆間骨折的主要方法。伴隨生物力學(xué)、材料學(xué)發(fā)展，多種多樣的內(nèi)固定器械隨之產(chǎn)生。在收到滿意的治療效果的同時，同樣也產(chǎn)生了一定的不良后果，為解決手術(shù)所帶來的多種并發(fā)癥，內(nèi)固定器械需不斷更新?lián)Q代。但是到目前為止，尚無一種內(nèi)固定能夠完全解決上述問題。針對此種現(xiàn)象，學(xué)

2、者們把很多精力放在如何使用不同的內(nèi)固定器械達到較好的治療效果，往往通過動物實驗、尸體力學(xué)來研究不同內(nèi)固定器械的受力方式及優(yōu)缺點，但是無法達到滿意的效果，隨著有限元分析方法(FiniteElement Analysis，F(xiàn)EA)應(yīng)用于骨科研究以來，起到了重要的作用，有限元分析方法不但能夠分析骨、骨-內(nèi)固定、內(nèi)固定的內(nèi)部應(yīng)力分布、應(yīng)變狀態(tài)并且能夠定量分析；其還具有可重復(fù)和改變質(zhì)量的特點，與普通力學(xué)實驗方法相比獲得的了客觀實體實驗所難以得到的

3、研究結(jié)果，具有重要的臨床意義。本實驗在有限元建模軟件建立有效地股骨模型，不穩(wěn)定股骨粗隆間骨折模型及鎖定動力髖(DHS)、Gamma釘、股骨近端解剖鎖定鋼板(LCP)三種內(nèi)固定固定后的骨折模型的基礎(chǔ)上，通過ANSYS三維有限元分析軟件，對不同模型進行計算，分析骨-內(nèi)固定模型、股骨近端骨質(zhì)、內(nèi)固定螺釘?shù)膽?yīng)力及應(yīng)力分布特征、位移變化；骨折面應(yīng)力變化，斷端間隙變化等，從而對不同固定方式固定效果進行對比評價，比較鎖定動力(DHS)、Gamma釘、

4、股骨近端解剖鎖定鋼板(LCP)螺釘系統(tǒng)固定方式的特點，從理論力學(xué)上進一步驗證及研究以上內(nèi)固定物固定不穩(wěn)定粗隆間骨折的優(yōu)缺點，為臨床應(yīng)用提供理論力學(xué)依據(jù)及指導(dǎo)意見。
　　方法：首先使用Minics、Pro/Engineerr、Geomagic Studio軟件把CT掃描的成人股骨數(shù)據(jù)建立完整成人股骨CAD模型、31-A2型粗隆間骨折CAD模型，依據(jù)DHS、Gamma、LCP的參數(shù)分別建立各自CAD模型，按照骨科手術(shù)操作要求予以裝配固

5、定，在前者基礎(chǔ)上分別建立不穩(wěn)定粗隆間骨折與DHS、Gamma、LCP裝配后的CAD模型，并將其導(dǎo)入三維有限元分析軟件ANSYS中，分別生成三種不同三維有限元分析模型，在設(shè)定邊界條件、材料屬性后，模擬70KG正常人緩慢行走單足著地時髖關(guān)節(jié)所承受的最大峰值數(shù)值進行加載，分析完整股骨、骨-內(nèi)固定模型、股骨近端骨質(zhì)、內(nèi)固定螺釘?shù)膽?yīng)力及應(yīng)力分布特征及位移變化；骨折面應(yīng)力變化，斷端間隙變化特征等。
　　結(jié)果：
　　1、本實驗各種CAD模

6、型能夠逼真、客觀再現(xiàn)股骨近端、內(nèi)固定物、不同內(nèi)固定固定后的粗隆骨折，將其導(dǎo)入ANSYS后能夠進行精密網(wǎng)格劃分，生成三維有限元分析模型，進行分析研究。
　　2、正常完整股骨加載后應(yīng)力及位移云圖結(jié)果顯示髖關(guān)節(jié)作用力經(jīng)股骨近端向遠端傳導(dǎo)，并形成壓力帶及張力帶，應(yīng)力特點及數(shù)值與前人研究的結(jié)果相符合，可進行力學(xué)分析。
　　3、三種模型加載后的股骨近端和內(nèi)固定物的應(yīng)力值、應(yīng)力分布和位移值與正常股骨相比較發(fā)生較大變化。
　　4、C1

7、、C2、C3模型骨折斷面前內(nèi)側(cè)、后內(nèi)側(cè)、前外側(cè)、后外側(cè)骨質(zhì)應(yīng)力統(tǒng)計分析三者之間有顯著性差異(P<0.05)。C1、C2、C3模型骨折斷面前內(nèi)側(cè)、后內(nèi)側(cè)、前外側(cè)、后外側(cè)間隙統(tǒng)計分析三者之間有顯著性差異(P<0.05)。C1、C2、C3模型螺釘頂部與周圍骨質(zhì)壓力統(tǒng)計學(xué)分析三者之間有顯著性差異(P<0.05)。
　　結(jié)論：
　　1、在活體股骨CT數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用Minics、Geomagic Studio、Pro/Engineer

8、r軟件能夠成功建成完整股骨、31-A2不穩(wěn)定粗隆間骨折、DHS、Gamma、LCP及DHS、Gamma、LCP分別固定31-A2骨折后的CAD模型，能夠使甩ANSYS網(wǎng)格劃分、進行力學(xué)分析。該種建模方法準確，省時省力，個體化強，能夠逼真、客觀反應(yīng)其幾何結(jié)構(gòu)和力學(xué)屬性。此模型能夠作為深入研究的原始模型。
　　2、Gamma、DHS、LCP對于31-A2型粗隆間骨折的固定有其各自的優(yōu)缺點。從整體固定后理論力學(xué)比較抗壓方面Gamma優(yōu)于

9、DHS和LCP?？剐D(zhuǎn)方面LCP優(yōu)于Gamma和DHS，Gamma與DHS之間無明顯差別。抗張力方面Gamma、LCP優(yōu)于DHS，Gamma與LCP之間無明顯差別。Gamma可造成股骨遠端的應(yīng)力集中現(xiàn)象；DHS、LCP可造成股骨近端應(yīng)力遮擋效應(yīng)，Gamma股骨近端應(yīng)力遮擋效應(yīng)很微??；Gamma和DHS可產(chǎn)生相對滑動，使骨折斷端間隙減小，并產(chǎn)生斷端滑動加壓作用，改變骨折面應(yīng)力分布，使應(yīng)力分布更為均勻。LCP缺少相對滑動及斷端加壓作用，易產(chǎn)